S cieľom uspokojiť dopyt po rýchlejších nabíjačkách mnohé spoločnosti investujú do meničov energie na báze GaN - čím menších, tým lepších. Na tohtoročnej konferencii Applied Power Electronics Conference (APEC) v Houstone spoločnosť GaN Systems spolu s firmou Rompower Energy Systems vyhlásili, že vyvinuli najmenšie 65 W a 100 W nabíjačky GaN na svete s hustotou výkonu viac ako 22 W na kubický palec. 65 W nabíjačka má rozmery 30,5 x 35,0 x 46,6 mm a udáva účinnosť viac ako 94,5 % pri 115 V a viac ako 95 % pri 230 V.

V tom istom týždni si spoločnosti Silanna Semiconductor a Smarter Living tiež robili nárok na "najmenšiu 65 W rýchlonabíjačku na svete" - jej rozmery sú 42 x 42 x 30 mm. Zariadenie spoločnosti Silanna sa vyznačuje účinnosťou až 95 % v rozsahu napätia od 90 V do 265 V.

Nie je prekvapujúce, že tieto dve spoločnosti súbežne bojujú o tituly najmenších v odvetví; trend miniaturizácie pokračuje, pretože GaN sa stáva čoraz rozšírenejším. Pri implementácii výkonových meničov na báze GaN - najmä pri týchto rozmeroch - je potrebné zohľadniť viacero konštrukčných aspektov.

Úvahy o návrhu GaN konvertorov

V GaN zariadeniach sú parazitné kapacity veľmi malé, čo umožňuje rýchlejšie spínanie. Táto vlastnosť zavádza vysokú rýchlosť zmeny prúdu a napätia, ktorá môže falošne spustiť pohon hradla a spôsobiť prestrelku. To spôsobuje kompromis medzi veľkosťou a spoľahlivosťou.

Aby sa problém falošného spúšťania obišiel, konštruktéri pridávajú sériový odpor na presnú detekciu prestreľovania a zabezpečenie rýchlej odozvy ochranného obvodu. Tento sériový odpor však zvyšuje stratu energie a znižuje účinnosť.

Príklad izolovaného obvodu ovládača hradla pre jeden GaN HEMT. Obrázok GaN Systems

Existuje niekoľko ďalších faktorov, ktoré môžu obmedzovať veľkosť, účinnosť a spoľahlivosť výkonových meničov na báze GaN. 65 W GaN nabíjač od spoločnosti Silanna Semiconductor integruje konštrukciu aktívnej spätnej väzby (ACF), ktorá absorbuje a recykluje energiu spätného EMF vznikajúcu pri vypínaní a obmedzuje nárast napätia na odtoku primárneho FET počas vypínania.

Okrem toho je v tomto zariadení zabudovaná digitálna riadiaca architektúra na úpravu prevádzkového režimu zariadenia na základe jednotlivých cyklov s cieľom zachovať vysokú účinnosť, nízke EMI, rýchlu dynamickú reguláciu záťaže a ďalšie kľúčové parametre napájania v reakcii na meniace sa sieťové napätie a záťaž.

Špecifikácie miniatúrnych nabíjačiek

Technológia GaN uvoľňuje plný potenciál topológií výkonových meničov, pokiaľ to dovoľujú limity účinnosti. Hoci sú nabíjačky čoraz menšie, naďalej sú vysoko spoľahlivé a rýchlejšie.

Ako už bolo spomenuté, 100 W nabíjačka GaN Systems má rozmery 28,6 x 44,0 x 35,0 x 67,0 mm a poskytuje účinnosť viac ako 94,5 % pri 115 V a 230 V s hustotou výkonu viac ako 20 W na kubický palec.

Nové 65 W a 100 W nabíjačky. Obrázok (upravený) GaN Systems

Naproti tomu nová 65 W nabíjačka 3510PDFE od spoločnosti Silanna Semiconductor je postavená na riadiacej jednotke SZ1131 ACF, ktorá umožňuje vysokú účinnosť 95 % pri univerzálnom vstupnom napätí (90 V až 265 V) a rôznom zaťažení. Okrem toho udáva ultranízky výkon bez zaťaženia menej ako 20 mW pre menšie rozmery a zníženú celkovú spotrebu energie.

65 W nabíjačka na báze GaN od spoločnosti Silanna. Obrázok Silanna Semiconductors

Oba tieto produkty sú príkladom toho, prečo tranzistory GaN nahrádzajú kremíkové tranzistory v nástenných nabíjačkách: sú rýchlejším, efektívnejším a kompaktnejším riešením. GaN HEMTS (tranzistory s vysokou pohyblivosťou elektrónov) spínajú efektívne a môžu pracovať pri vyšších frekvenciách ako kremíkové MOSFETy. Tieto výhody umožňujú konštruktérom zmenšiť veľkosť transformátora tým, že pracuje pri vyšších frekvenciách. Okrem toho vysoká účinnosť eliminuje potrebu chladičov, čím sa konvertor ďalej miniaturizuje.

Preteky o menšie výkonové meniče GaN

Vzhľadom na to, že rôzne polovodičové technológie súperia o zníženie spínacích strát a zlepšenie účinnosti, zdá sa, že technológia na báze GaN je čoraz väčším súperom. Nahradením kremíkových tranzistorov GaN dokáže kompaktný nabíjač vykonať viac práce ako väčší a rýchlejšie. To je dôvod, prečo GaN získava na popularite v nabíjačkách smartfónov a notebookov. Medzi výrobcami nabíjačiek teraz prebiehajú preteky o realizáciu najmenších nabíjačiek GaN, ktoré poskytujú vysokú účinnosť a rýchlejšie nabíjanie.