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本技术介绍参考了以下链接
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2017年02月16日

世界最小最高效的12W交流适配器
基于GaN-HEMT实现移动电子产品的超快速充电

株式会社富士通研究所(注1)(以下简称,富士通研究所)开发出了世界上最小、最高效的电源适配器。它采用了氮化镓(GaN)(注2)高电子迁移率晶体管(HEMT)(注3)(以下简称,GaN-HEMT)功率元件,实现了智能手机等移动电子产品的超快速充电。

图1 GaN-HEMT交流适配器<br/> (体积15.6cc、最大输出12W、最大効率87%)

图1  GaN-HEMT交流适配器
(体积15.6cc、最大输出12W、最大効率87%)


开发背景

近年来,智能手机、平板电脑等各种搭载了充电电池的移动电子设备迅速普及,充电电池需要具备大容量且长时间待机功能,并可进行快速充电。同时,希望获得体积更小,具有更高输出功率的交流适配器。另外,以减少环境负荷为目的,充电时降低功耗已成为一个课题。2016年2月美国能源署开始实施的外接电源(EPS)能效标准修订版(LEVEL-VI)中,对6V以下的电源运行效率的要求提高了5.46%,提高电源能效的工作也变得十分重要。

课题

目前普遍使用的交流适配器是以场效应晶体管(FET: Field Effect Transistor)为开关元件,通过其反复开关进行电源转换,从而达到控制电压的目的。

改善交流适配器的大小、效率、输出功率的最有效方法是增加开关的开/关循环动作的频率。采用兆赫级的GaN-HEMT作为开关元件,基于小阈值电压决定开关的开/关,可以实现该目标。相比目前被广泛应用的硅半导体(Si-MOSFET)电源开关元件,GaN-HEMT的运行频率是它的10倍,动态电阻也只有不到它的1/10。但是,具有控制开关元件运作、稳定电压功能的控制IC,由于目前开关动作缓慢,因此不能充分发挥GaN-HEMT的性能。此外,由于切换时刻的延迟可能会导致电流反向通过电路,从而造成更大的损耗。

开发的技术

富士通研究所通过优化设计周边电路实现了使用低动态电阻GaN-HEMT作为开关元件。这使得交流适配器的电能转换效率达到87%,与同等尺寸的交流适配器比较充电时间缩小到1/3,属世界首次。体积大约只有相同输出功率的交流适配器的一半,是世界最小的交流适配器。

为了将插座的交流电(日本是100V)转换成符合连接设备的直流电,交流适配器通过变压器,和在固定频率下对电流进行开/关的开关,可获得稳定的直流电。从输入功率到变压器之间的电路块被称为初级侧(AC-DC转换器),从变压器到输出功率的电路块被称为次级侧(整流器)。如要构建低损耗的电路,需要配置可以用于调整并控制两个回路开关元件与通电时间的控制IC,并且这些IC需要被连接到一起运作(图2)。对于交流适配器,由于次级侧电流变大,因此次级侧的低电阻化尤为重要。

图2 交流适配器框图

图2  交流适配器框图


使用GaN-HEMT作为开关元件实现了更快的操作,但是控制IC中的控制信号波形会导致损耗的增加,尤其在次级侧容易发生此现象。为了将电流通过次级侧开关元件的时间与初级侧的开关元件的开/关动作匹配,并确保在GaN-HEMT中在适当时刻开/关电流,需要将从控制IC输出的控制信号波形调整为具有尖锐峰值的波形(图3)。

次级侧的控制IC,可以产生与开关元件电压(图3-A)相匹配的,控制开关元件开/关动作的电压(图3-C)。但在高速操作的影响下,关的动作相对变慢,结果导致开关元件的电压(图3-A)上升时,瞬间产生反向电流(图3-B斜线部分),造成更大损耗。

图3 次级侧开关元件周围电压和电流的变化(传统技术)

图3  次级侧开关元件周围电压和电流的变化(传统技术)


此次,富士通研究所在次级侧的控制IC和GaN-HEMT之间导入了新的定时控制电路。通过调节由控制IC电路生成的电压波形,可以抑制以往伴随高速操作产生的电流损耗,这样在保留了GaN-HEMT低动态电阻的同时还可以在恰当的时刻输出电流。基于该技术,提高了交流适配器的效率,实现了小型化和高输出(图4)。

图4 次级侧开关元件周围电压和电流的变化(新技术)

图4  次级侧开关元件周围电压和电流的变化(新技术)


效果

富士通研究所开发的交流适配器实现了小型化与快速充电。该技术最大限度发挥了GaN-HEMT的特性,减少了功率浪费,并符合美国能源署在2016年2月开始实施的外接电源(EPS)能效标准修订版(LEVEL-VI)(图5)。广泛使用这种电源适配器将有助于二氧化碳减排。

图5 开发的交流适配器的输出功率和效率

图5  开发的交流适配器的输出功率和效率


今后

富士通研究所正在继续完善这一技术,努力使其更加小型化与高效化,目标于2017年度实现商业化。另外,同时还在开发更高输出的电路,计划将该技术推广到笔记本电脑。

注释

注1 株式会社富士通研究所:
社长 佐佐木 繁
总公司所在地 日本神奈川县川崎市
注2 氮化镓(GaN):
GaN类半导体是宽带隙半导体,相比硅(Si)或砷化镓(GaAs)等传统半导体材料,可以在更高的电压下工作。
注3 高电子迁移率晶体管(HEMT):
High Electron Mobility Transistor。一种场效应晶体管,电子迁移率比传统半导体快很多。富士通于1980年开发出了引领整个行业的HEMT,现在作为支撑IT社会的基础技术被广泛应用,包括卫星收发器、无线设备、基于GPS的导航系统、无线宽带网络系统等。