OPPO这次,这个65W充电器应该算是手机大厂里面,第一个标配充电器采用了GaN的。这个就很有意思了,出乎意料,又在情理之中。
此前GaN主要用在第三方的充电头里面,如Anker、倍思、爱否。这次,是主流厂商第一次把GaN做进了标配充电头。
先说结论,这次OPPO在65W的充电头设计中,遇到了如何平衡体积和高功率的问题。OPPO为了缩小65W充电头体积,增加充电效率,采用了市面上并不多见,但好评一片的GaN器件,同时GaN器件是未来大功率小型化充电头的重点方向之一。
相对于手机,电脑对于便携性的需求小得多,65W级别的充电器对于电脑来说是家常便饭,但在手机上确是第一次出现。受硅半导体本身性能的限制,传统电源上采用的硅基MOSFET的效率偏低,为了缩小体积,降低发热,OPPO选择了性能相对优异第三代半导体GaN器件。
GaN就是氮化镓,对于学过化学的童鞋们来说,这个不难认,Ga就是镓,N就是氮。这次,这玩意儿是OPPO拿来代替传统硅基MOSFET的。
以下内容不太好理解,我尽量说人话。
首先,GaN这玩意儿属于功率器件,小到充电器里头的MOSFET,大到高铁里头的IGBT,都是这一类型的玩意儿。整体来说,全球产值不算特别大,但也不算小,因为这玩意儿是核心芯片,在不少装备里头地位特别关键。
但是,随着半导体发展,大家发现,硅的性能有点不够用了,因此开始探索其他材料的应用。在功率半导体方面,GaN和SiC(碳化硅)就都是用来替代高纯硅的材料,这两种材料在近十年来发展比较迅速,被称之为第三代半导体,希望用来取代硅基半导体。
拿走在比较前面的SiC举例:
2001年,英飞凌推出第一款SiC的半导体,SiC的温度耐受性更高、体积更小、发热更低,但直到2013年,才开始有SiC MOSFET产品出现。
在新能源车企中,特斯拉在新技术应用方面就很激进,在SiC MOSFET产业化五年后,就已经开始Model 3上全面采用SiC作为功率模块了。
相较于SiC,GaN发展的更晚,2015年才刚刚起步。市场规模也更小,全球的市场规模只有一亿美元上下。相较于SiC,GaN在相对低功率上更具备优势。
因此,Yole预测,GaN第一步将主要用于移动设备充电市场,并且其特性将帮助其在电力供应方面持续占据超过50%的份额,苹果也早就注意到了GaN材料,一直考虑在无线充电上使用。
换句话说,GaN是个小众材料,但随着移动设备对快充需求快速增长,各大手机厂商都看上了这块材料,但大多也都处于实验室状态。
在手机企业中,OPPO在充电方面也一直走的比较快。这次,OPPO采用GaN器件,也就在情理之中了。第一代VOOC出现的时候,网上也有很多「伤电池」的疑问,不过随着快充的普及,「五福一安」都快成骂人的话了。
目前GaN在充电上的作用主要是,通过其高频开关速度特性,提升电源转化效率,降低充电头发热,帮助充电器小型化。OPPO也正是利用了这个特性,保证了这次的Super VOOC 2.0充电器体积与此前VOOC充电器体积相差不大。
半导体材料的基本性能取决于其电子迁移率,具有高电子迁移率的材料可提供更大的载流能力。根据松下的进一步解释,相较于传统硅基MOSFET,GaN材料具有开关速度快(Qg小)、无恢复损耗(Qrr是0)、充放电速度快(Co(tr)小)这三个特性。
下面这张图来自于松下,用以对比传统硅基材料(左)和GaN材料(右)的LLC 电路漏极电压波形。
下面这张图来自于百度文库,某关于功率半导体的上课用的PPT。
从这两张图上,我们不难看出来, GaN 固有的较低栅极和输出电容支持以MHz级的开关频率运行,同时降低栅极和开关损耗,从而提高效率。
松下称,GaN能帮助大幅缩小电源体积,从原来的6.5W/立方英寸提升至26.5W/立方英寸,体积可缩小至原来的四分之一。国产厂商英诺赛科更实际一点,他们的参考方案中,体积减少了45%,效率提升了5-6个百分点。
因此,采用了GaN器件后,OPPO保证了这次的Super VOOC 2.0充电器体积与此前VOOC充电器体积相差不大。从实际应用来看,OPPO表示,和初代20W VOOC充电头相比,65W的VOOC充电头体积并没有增加多少。
当然,保持身材不仅是GaN器件的功劳,OPPO还有电源芯片的定制、紧凑型电源设计经验,这些都为65W充电头的紧凑打下了基础。
GaN的应用,让OPPO高达65W的SuperVOOC 2.0充电器保持了便于携带的体积,也为65W的充电提供了更高的效率。这样,出门可以考虑不带充电宝,只带充电头就可以。
OPPO不是国产厂商里第一个使用GaN的,但是,是国产手机厂商里第一个用GaN作为标配技术的。在OPPO的引领下,国内厂商有望进一步普及GaN技术,将充电器进一步小型化。
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