AC/DC转换器的动向与GaN

AC/DC转换器作为将供应给家庭和企业的商用交流电源转换为直流电源的装置，被用于各种类型的设备。大多数电路使用直流电压而不是交流电压，因而这种转换器必不可少。根据设备所需的功率水平，AC/DC转换器的大小各不相同。以相同功率进行比较时，从节省空间和便携性的角度来看，越是小型的转换器越好。

从历史上来看，自从AC/DC转换器从线性转换器转向开关转换器以来，小型化的进展一直缓慢。
但是最近，就像笔记本电脑的AC适配器被经常谈论那样，小型化速度有了显著的进展。
其背景是，除了电路的持续改进外，更根本的原因是采用了低损耗的GaN（氮化镓）作为开关元件来取代以往的Si。

GaN从2000年前后开始被开发用于电源，但实用化的趋势愈来愈显著还是最近几年的事。伴随移动工作和电力短缺问题等社会形势的变化，对小型/高效率的需求日益升温，以及GaN本身的品质/量产效率的提高，使得供需关系保持平衡。
其特点是，与以往的Si材料相比，使用GaN的开关元件由于开关启用速度更快，因而开关损耗更小。因此，在选择与以往的Si相同的开关频率时，效率更高，产生的热量更低，并可实现散热零部件的简化。

此外，也可选择高开关频率，使用更小型的无源零部件。
这是因为，即使是高频开关，GaN也可保持与Si的低频开关同等的高效率。
通常情况下，设备设计中的功率效率只要满足以往的基准多半会被视为合格，因而通过GaN获得的效率裕度通常会被活用到小型化设计中

导电性电容器的优点

松下电器生产的固体导电性电容器产品阵容齐全，能够为使用GaN的AC/DC转换器的输出电容器小型化做出贡献。这里，让我们来看看输出电容器是如何发挥作用的。
输出电容器通过吸收AC/DC转换器的纹波电流，为输出平稳的直流电流做出贡献。当电容器吸收纹波电流时，必然会产生纹波电压，但设计要件是这种纹波电压不得超过用于设备正常工作的基准值。通常的基准值据说是输出电压的±5%以下。

用来获得纹波电压的小输出电压的主要因素是电容器的阻抗。
简单来说，纹波电压=纹波电流x阻抗（ΔV=ΔI*Z）的关系成立，因而在产生纹波电流的开关频率中最好使用阻抗尽可能小的电容器。

若使用GaN，则会由于低开关损耗而使得使用更高的开关频率（如200k-500kHz）成为可能，而以往的开关频率为100kHz左右，在这样的高频区，导电性电容器的阻抗显著低于以往一直使用的液体电解电容器。
因此，导电性电容器在使用GaN的AC/DC转换器设计中可减小纹波电压，成为最佳的输出电容器。

导电性电容器的低阻抗是通过使用低ESR的导电性聚合物作为电介质来实现的。
低ESR与此同时也意味着可以比电解电容器容许更大的纹波电流。
此外，由于导电性聚合物是固体电解质，一个较大的特点是，与液体电解质的电解电容器不同，其特性不会在低温环境下受损，并且在高温下长期使用时不易劣化。这样，导电性电容器为设备设计带来了许多优点。

与高频AC/DC转换器上的电解电容器的比较评估

在某些情况下，通过所需电容伴随开关频率的高频化而减小，可以实现显著的小型化和成本降低。这里介绍一个这样的事例。下述评估事例是在200k-400k左右的范围内工作的高频AC/DC转换器，与电解电容器相比，导电性电容器实现一种显著节省面积和安装数量的设计。
这是由于上述导电性电容器具有优异的频率特性和温度特性之故。

1. 单品特性比较

比较对象：电解电容器 63V 390uF 相比 导电性电容器 63V 33uF

2. 电路工作比较

电源规格:

输出功率150W, 输出电压48V, 容许电压变动幅度±400mV, Fsw 210k-370kHz, LCC拓扑, 工作温度范围-30℃～+65℃, 预期寿命5万小时（5.7年）

试验部位:

48V输出部

评估内容:

测量最大负荷3.2A时的输出电压变动。作为最差条件，在最低温度工作时也进行评估。
有关这些情况，将标准安装的电解电容器63V 390uF x 3个
替换为松下电器生产的导电性电容器 63V 33uF x 1-3个进行比较。

松下电器生产的导电性电容器

高频开关AC/DC转换器因采用GaN而随之增加，在这种趋势下，松下电器不断满足着客户的需求。
作为导电性电容器的先驱，本公司采用独特的高性能/高可靠性技术，齐全的产品阵容可对应至100V。
这类导电性电容器被在民用设备等中广为使用的5-20V输出、面向工业设备的24V输出、面向通信设备的48V输出等中广泛采用。为了应对近年来电力短缺问题，为获得更高的效率而向48V转轨日益增多（车载、数据中心、USB-PD等），这将拓宽GaN和导电性电容器的应用范围。

商品	尺寸	特点	对应的AC/DC输出电压	典型用途
Hybrid*	面积：φ5～10mm 高：6.1～16.8mm	对应大电容/大纹波电流/低LC/车载	12～48V typ	功率范围宽广的车载/工业/通信设备的AC/DC转换器
OS-CON	面积：φ4～10mm 高：4.5～13mm	大电容/大纹波电流/宽广的电压范围	5～48V typ	功率范围宽广的工业/通信设备的AC/DC转换器、AC适配器/充电器
POSCAP	面积：3.5x2.8, 7.3x4.3mm 高：1.2～4mm	小型/大电容	5～28V typ	小功率/小型AC适配器/充电器
SP-Cap	面积：7.3x4.3mm 高：1～3mm	低矮/低ESR	5V typ	小功率/小型AC适配器/充电器

IC厂家的参考板采用事例

这里我们将介绍一个实际采用到GaN AC/DC转换器上的事例。
在IC行业长期以来拥有雄厚实力的STMicroelectronics（意法半导体）公司近年来推出了高性能GaN开关器件。
在使用该GaN的最新的AC/DC转换器参考板中，采用了松下电器生产的导电性电容器。

① 65W GaN AC/DC Converter Evaluation Board

板名:

EVLONE65W

简要规格:

输出功率65W, 输出电压 3.3-21V, 对应USB-PD, ACF拓扑

主要IC:

MasterGaN4GaN开关功率器件)
ST-ONE(开关控制器)

用途:

各种工业设备、民用设备

Output cap:

松下电器生产的EEHZS1V681UP（Hybrid Cap）、25SEK270M（OS-CON）

小结

今后，为了在电子设备增加和大功率化的进程中实现可持续发展的社会，电源的小型化/高效率化将备受人们的瞩目，预计GaN的采用将会越来越多。GaN不仅被应用于本次提到的AC/DC变换器中，还将被广泛应用于电压相对高的DC/DC转换器和基站RF放大器等中。松下电器生产的导电性电容器作为可以为使用GaN的下一代电源做出贡献的零部件，将继续努力满足客户的需求。

相关产品信息

• 导电性聚合物混合铝电解电容器
• 导电性聚合物铝固体电解电容器(OS-CON)