本技术介绍参考了以下链接
English
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
（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
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）
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）
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
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。
