2019年小米10发布,宣布配备PD 65W 氮化镓充电器,它对比普通充电器有了很大不同。首先最显著的就是体积的变化,同样功率的氮化镓65W笔记本充电器,比普通充电器的大小缩小了3-5倍,在充电器的重量上,65W氮化镓约为115g,而普通65W则约为331g-500g,而这个重量差距已经是手机和平板的差距了。
再说大家看重的充电效率,因为氮化镓的带隙更宽,导热系数更高它比同功率普通充电器的工作效率,将高出10%以上。并且对比普通充电器,在同样功率和工作量下,它的发热量相对更低。
而这一切是如何实现的呢?让一个充电器从砖头变成半块砖头,再变成拳头大小,最后变成口红大小。
要明白如何让充电器变得如此小,我们得先知道传统充电器为什么那么大,或者说我们得明白,充电是怎么进行的?手机电池的输入电压只有不到5V,而家里插座的电压是220V的,如果直接连接手机和插座,后果就是换一台新手机。
第一步;我们得先把220V电压变成5V的,我们需要借助法拉第的“变压器”,借助电生磁,磁生电的原理。
这样我们就得到了5V的电流,但是这就能直接充进手机吗?还是不能,因为这样的电流波动就像大海的浪涌,脆弱的手机电池无法承受海浪的起伏。
我们需要一些装置来过滤大海的波涛汹涌,比如单向导电的二极管,它的作用是将反方向的电流截断,具体表现就是电流的下弦被删除了。
这样,浪涌减少了一半,但,还是太大。
于是,我们建了一个大水库,存浪大的水,放平直的水,这个水库在电子元器件的名字叫电容。
直到这样,可以给手机充电的直流电终于产生了。
但是这种充电器有一个致命的缺陷,假如手机是一个大水桶,充满电的动作是往水桶中倒满水,而交流电的频率是固定的50Hz,也就是说你每0.02秒才能倒一次水。
那么我们为了更快的完成充电,就只能加大每次倒水的量,这样就能更快的倒满水桶的水,而倒水的量取决于变压器和电容,它们是倒水的容器。这样一来,频率是固定的,想要加快充电效率就只能增大电容和变压器,所以传统充电器就是无比的大,就是因为电容和变压器占据了太多的空间。
那么要继续提高充电器的效率和体积,就必须解决这个被固定的倒水频率。交流电的频率有固定的频率,那直流电呢?
直流电的频率由半导体开关速度决定,半导体开就是电流通行,半导体关就是电流关闭。而半导体硅材料的开关频率能达到每秒5万次,就比市电的交流电频率高了1000倍,频率提高了,那么倒水的容器就可以减小,我们再改动一下某些环节的先后,一个新生代的充电器出现了。
最经典的就是苹果的5V1A充电器,同样的5W充电器体积却缩减了5倍,但是这样的充电器充电效率,在现在看来还是功率太低速度太慢。
而这时候氮化镓半导体材料出现了,它在开关频率上突破了硅的上限,从每秒10万次级别提高到了百万次级别,再加上一些电子结构的优化,让同样65W功率的充电器体积,可以缩小整整一半多。
并且而且因为氮化镓的材料特性,它在充电效率,功率和散热上,都得到了提升,从而变成了我们现在看到的氮化镓充电器。
氮化镓它们在击穿强度、开关频率、导通电阻、导热系数上,都比二代材料表现出了更好的优越性。
氮化镓(GaN)更被期待于作为5G应用的关键材料,虽然现在熟知的只是作为手机充电器技术,但它被视为突破传统半导体技术天花板的关键材料,而我国十二五规划中的863计划也将它作为重点项目。在未来的信息时代,卫星通讯、能源互联网、5G/6G基站、超高速轨道交通等等,都将有着它的身影。
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