碳化硅進軍消費類市場，引領(lǐng)手機快充新潮流

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李誠）隨著智能手機的快速發(fā)展，手機續(xù)航和充電體驗成為了手機廠商和消費者首要關(guān)注的問題。在手機充電領(lǐng)域中氮化鎵的應用最為廣泛，也是被消費者最為熟知的一種產(chǎn)品。其實碳化硅快充設(shè)備也是有的，只不過大多分布在汽車電子和工業(yè)領(lǐng)域，再加上設(shè)計成本以及多方面的因素所制約，導致碳化硅在消費類的應用中的普及率不及氮化鎵。

碳化硅與氮化鎵一樣，同屬于第三代化合物，是大功率設(shè)備的關(guān)鍵性材料。碳化硅材料具有禁帶寬度大、導通電阻低、開關(guān)頻率高等電氣特性。

在大功率設(shè)備中碳化硅禁帶寬度大的特性能夠承受住更高的電壓和溫度，這也就意味著碳化硅能夠比硅基材料承受住更高的功率；在導通電阻方面，碳化硅的導通電阻也比硅基材料更低，可以有效降低設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)過熱的情況，避免功率損耗過高，提高電能利用率；在開關(guān)頻率方面，碳化硅與氮化鎵的開關(guān)頻率都相對較高，在充電器設(shè)計中，開關(guān)頻率的大小與變壓器的體積是相互掛鉤的，較高的開關(guān)頻率可使得變壓器的線圈匝數(shù)、橫截面積盡可能地做到小型化，這也是為什么氮化鎵被大功率快充廣泛使用的原因之一。

新春首秀，派恩杰碳化硅65W PD快充方案

2月7日，專注于碳化硅與氮化鎵功率器件設(shè)計及方案的國產(chǎn)廠商派恩杰推出了新一代基于碳化硅應用的65W PD快充解決方案，也是派恩杰首次將碳化硅技術(shù)成功導入消費類快充解決方案中。

上圖為派恩杰65W PD快充方案的Demo，在該設(shè)計方案中主要采用了派恩杰的碳化硅MOSFET P3M06300D8作為功率開關(guān)管提升系統(tǒng)的整體效率。

P3M06300D8是一款耐壓值為650V N溝道的增強型SiC MOSFET，該MOSFET具有高頻、低導通電阻、小柵極電荷的電氣特性。導通電阻為300mΩ，柵極電荷為2.75nC，在場效應管中柵極電荷的值對元器件的開關(guān)性能具有較大的影響。舉個例子，當電流為100mA時，柵極電荷為100nC的MOSFET充滿或放盡所需的時間為1us，柵極電荷為20nC的MOSFET所需時間為200ns。這也就意味著P3M06300D8能夠在27.5ns內(nèi)完成一次導通或者關(guān)斷的操作，這也是該快充方案小型化的關(guān)鍵因數(shù)之一。

在該方案中初級側(cè)的控制器采用的是立锜科技（Richtek）的RT7790 PWM控制器對電路進行控制，并形成一個可編程的USB PD快充方案。RT7790 內(nèi)部集成了雙向控制邏輯，可通過脈沖變壓器向次極端控制器發(fā)送零電壓開關(guān)的脈沖信號，也可以接收由次級端反饋回來的脈沖信號，零電壓開關(guān)的功能能夠給系統(tǒng)帶來更高轉(zhuǎn)換效率的同時，并降低MOSFET的發(fā)熱量。在該方案中，RT7790 PWM控制器可以直接對P3M06300D8 MOSFET進行驅(qū)動，無需在電路中進行額外的驅(qū)動設(shè)計，實現(xiàn)了簡化電路設(shè)計，加快終端產(chǎn)品上市的目的。

上圖為該65W PD快充方案在110Vac和220Vac兩種工作電壓上的效率變化曲線。通過觀察發(fā)現(xiàn)，該方案在工作電壓為110Vac時，系統(tǒng)效率均保持在91%以上。工作電壓為200Vac時，系統(tǒng)效率達到峰值，接近94%。

據(jù)悉，該方案結(jié)合了碳化硅在開關(guān)電源領(lǐng)域的各項優(yōu)勢，Demo的功率密度達到了1.98W/cm³，與其他基于氮化鎵快充方案的1.1~1.3W/cm³相比高出了不少。

值得一提的是，派恩杰在這款碳化硅MOSFET上進行了多方面的優(yōu)化，并將產(chǎn)品的售價控制到了與120mohm~140mohm的硅基MOSFET相近的價格。畢竟碳化硅之所以在消費類產(chǎn)品中未能快速普及的原因之一就是成本的問題，該方案的推出有望加速碳化硅在消費類市場的滲透。


首款引入碳化硅技術(shù)的倍思120W快充

談到碳化硅在快充領(lǐng)域的應用，不得不提一下倍思這一終端廠商在該領(lǐng)域的成就，2020年，倍思就已經(jīng)成功將碳化硅技術(shù)導入到快充應用中，并首發(fā)了氮化鎵+碳化硅的120W快充充電器。

倍思此前發(fā)布的這款120W快充充電器結(jié)合了碳化硅與氮化鎵在電力電子領(lǐng)域的優(yōu)勢，成功地將充電器的發(fā)熱量與體積降至較低的水平，并提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

該充電器采用了PFC+LLC的電源架構(gòu)，PFC電路部分采用的是安森美的NCP1616A1 PFC控制器，PFC開關(guān)管采用的是納微的NV6127氮化鎵MOSFET，PFC升壓的整流電路采用的是Alpha power的碳化硅二極管ACD06PS065。半橋LLC電路由安森美的NCP13992 PWM控制器和納微的NV6115氮化鎵MOSFET構(gòu)成。

經(jīng)測量，該充電器的長度為94.17mm，寬度為55.56毫米，厚度為30.11mm，體積約為150cm³，功率密度為0.76W/cm³，由于這是倍思的早期產(chǎn)品，所以在功率密度方面與現(xiàn)在的產(chǎn)品存在著些許差距，并且價格也相對較高。

結(jié)語

成本一直是碳化硅進入消費類市場的關(guān)鍵，如今派恩杰推出的這款低成本的碳化硅產(chǎn)品，有望成為碳化硅進軍消費類市場的敲門磚，加速碳化硅在消費類市場的普及，引領(lǐng)手機快充的發(fā)展潮流。