摘要。 手机和笔记本电脑充电器是开关电源，将 100–240 V 交流市电转换为多个低电压等级的直流电。决定使用体验的两项指标是效率（电能转化为热量的比例）和功率密度（单位体积所对应的功率）。本文有选择地概述了 Gallium Nitride (GaN) 材料如何影响这两项指标：从宽禁带半导体的物理参数，到近谐振 flyback 电路中的开关损耗机制，再到 Texas Instruments 和 STMicroelectronics 公布的两款 65 W 参考设计的数据。结果表明，GaN 的主要优势在于能够提高开关频率，从而缩小变压器体积；实际效率提升远不如通常宣传的那么显著。最后一部分介绍了如何解读充电器规格，并根据公开规格对 OH-Tech 的若干 GaN 型号进行对比。
关键词：GaN、Gallium Nitride、充电器、功率密度、USB Power Delivery、PPS、准谐振反激、开关损耗。
1. 提出问题
充电器是一种开关电源。交流市电经过整流后，被斩切成频率为数十至数百千赫兹的脉冲，然后通过隔离变压器，再经二次整流，在输出端变成直流电。晶体管每次导通或关断时，都会损失一部分能量。这些损失会转化为充电器外壳上的热量，这也是大功率充电器通常体积较大且发热的原因。
当前设计压力来自两个方面。在法律层面，指令 (EU) 2022/2380 要求手机、平板电脑、耳机和许多手持设备自28/12/2024起使用USB-C接口，并自28/4/2026起扩展至笔记本电脑 [1]。在技术层面，USB Power Delivery 3.1 标准（2021）将单个接口的功率上限从100 W提升至240 W [2]。通用接口带来共同期待：一个充电器必须既能支持几瓦的耳机，又能支持几十瓦的笔记本电脑，而且体积不能超过用户习惯随身携带的尺寸。
本文的问题是：GaN在物理层面改变了什么，以及这些变化在充电器层面带来了多少可量化的益处？
2. 材料的物理基础
硅的带隙宽度为 1,12 eV，而 GaN 约为 3,4 eV（各来源记载为 3,39–3,44 eV） [3][5]。更宽的带隙使材料在击穿前能够承受更强的电场：GaN 为 3,3 MV/cm，而硅为 0,3 MV/cm，约高 11 倍（表 1）。
| 参数 | Silicon (Si) | GaN |
|---|---|---|
| 禁带宽度 (eV) | 1,12 | 3,44 |
| 临界击穿场强 (MV/cm) | 0,3 | 3,3 |
| 电子迁移率 (cm²/V·s) | 1.000–1.400 | 1.500–2.000 (在二维电子气中) |
| 电子饱和速度 (×107 cm/s) | 1 | 2,2 |
| 热导率 (W/cm·K) | 1,5 | 1,3–2,2 |
表1. Si 和 GaN 材料的部分参数。来源：EDN [3]；数值范围取决于器件结构和资料来源。
击穿场的意义通过 Baliga 指标得到了充分体现。对于理想的单极器件，漂移区（承受电压的区域）的电阻率为 Ron,sp = 4VB2 / (ε · μ · Ec3)，其中 VB 是击穿电压，ε 是介电常数，μ 是迁移率，Ec 是临界击穿场强 [4]。由于临界场强为三次方，因此 (3,3 / 0,3)3 ≈ 1.331。两种材料的 ε · μ 乘积几乎相同，因为 GaN 的介电常数低于硅，但迁移率更高。结果：在相同耐压下，GaN 漂移区理论上可获得约 103 倍更好的导电能力。
该数字只是理想漂移区的理论近似值。实际器件还要承受沟道电阻、接触电阻和封装电阻，因此实际改进幅度要低好几个数量级 [5]。值得保留的是这一设计推论：在耐受电压为 650 V（通常用于最高 265 V 交流电网，峰值约 375 V，并计入反射电压和尖峰电压）的情况下，GaN 晶体管的芯片面积可能显著小于具有相同电阻的硅 MOSFET。芯片越小，寄生电容就越小，而寄生电容正是第 3 节开关损耗的主要来源。
商用 GaN 器件通常是 HEMT AlGaN/GaN。在两层之间的界面处，极化效应会形成二维电子气（2DEG），其密度约为 1013 cm-2，无需掺杂即可实现高于 2.000 cm²/V·s 的迁移率 [5][6]。这种横向结构还允许将栅极驱动电路和保护电路直接集成在同一芯片上，例如德州仪器（Texas Instruments）参考设计中的集成 GaN 晶体管 LMG3624 [8]。
需要注意的是一个不利因素：GaN 的导热率（1,3–2,2 W/cm·K）并未超过硅（1,5 W/cm·K）。GaN 充电器温度较低是因为产生的热量更少，而不是因为散热性能更好 [3]。
3. 从材料到电源：开关损耗与频率
在准谐振（quasi-resonant, QR）反激变换器中，主要开关损耗发生在晶体管开通时。存储在输出电容 Coss 中的能量每个周期都会以热的形式耗散：PCoss = ½ · Coss,er · V2 · fsw [8]。该损耗与开关频率成正比，因此对于硅器件，提高频率始终要付出热损耗的代价。
Texas Instruments 的 65 W 参考设计给出了一个具体示例：GaN 晶体管的能量等效输出电容在电压从 400 V 降至 0 V 时仅为 29 pF，在 150 kHz 频率下损耗为 ½ × 29 pF × (400 V)2 × 150 kHz ≈ 0,348 W，相当于约 0,53% 的系统效率。实际上，该数值还会更低，因为电路会在低于 400 V 的电压“谷值”处进行开关切换 [8]。STMicroelectronics 的资料将 650 V/225 mΩ GaN 与 650 V/230 mΩ 硅 MOSFET 进行了比较：GaN 的 Eoss 能量约为 1,7 µJ，MOSFET 则约为 3,7 µJ，在 140 kHz 下分别对应 0,24 W 和 0,52 W [9]。
节省下来的这部分能量可以“再投资”到更高的频率上。这一优势在于变压器，因为该元件占据了充电器的大部分体积。铁芯面积积的常用设计公式为 Ap = Pt · 104 / (Kf · Ku · Bm · f · J) [7]。在功率、磁通密度、电流密度和窗口系数保持不变时，Ap 与频率 f 成反比。原则上，频率翻倍可使铁芯尺寸减半。实际上，尺寸缩小幅度没有这么大，因为随着频率升高，铁芯损耗会使磁通密度 Bm 必须降低。Texas Instruments 的文献恰好描述了这一后果：GaN 的高频运行能力可以实现更小的电感和铁芯，并减少一次侧绕组匝数 [8]。
4. 参考设计数据
表2汇总了两家元件制造商的三款65 W电路板的公开数据。
| 标准 | TI TIDA-050072 (QR flyback) | ST EVLVIPGAN65PD (QR flyback) | ST EVLONE65W (ACF) |
|---|---|---|---|
| 功率 | 65 W | 65 W | 65 W |
| 开关频率 | 76–163 kHz | 最高 140 kHz | 最高 250 kHz |
| 尺寸 | 文档中未提及 | 69 × 20 × 35 mm | 58 × 32 × 20 mm |
| 功率密度 | 25,29 W/in3 | 22,1 W/in3 | 28,7 W/in3 |
| 满载效率 | 94,09% (115 Vac); 94,32% (230 Vac) | 符合 CoC Tier 2 和 DoE Level VI | 文档中未提及 |
表 2. 采用 GaN 的 65 W 参考设计公布的数据。来源：Texas Instruments [8]、STMicroelectronics [9]。ACF：active clamp flyback。ST 的功率密度按尚未加上外壳的电路板计算。
有三点观察。第一，在同为 65 W 功率的情况下，功率密度在 22 至接近 29 W/in3 之间波动，各电路板之间的差异主要取决于开关频率。ST 得出结论，采用 GaN 的有源钳位 flyback (ACF) 的功率密度比谐振 flyback 高近 30%，得益于其工作频率更高 [9]。第二，在效率方面，ST 认为，采用 GaN 的“普通”QR flyback 比采用 silicon 的 QR flyback 高 3–4%，而在大多数工作条件下，采用 GaN 的 QR 的效率接近采用 GaN 的 ACF [9]。第三，在 Texas Instruments 的设计中，满载效率为 94%，且在 115 Vac 下的待机功率仅为 30 mW [8]，这是一个鲜少被提及但对始终插电的充电器很重要的指标。
为了理解效率相差几个百分点意味着什么，请看下面的示例计算（并非某一具体产品的测量数据）。在输出功率为 65 W 时，效率为 90% 的充电器会产生 65 × (1/0,90 − 1) ≈ 7,2 W 的热量；效率为 94% 的充电器产生的热量为 65 × (1/0,94 − 1) ≈ 4,1 W，少约 43%。在输出功率为 30 W 时，这两种效率水平对应的热量分别约为 3,3 W 和 1,9 W。
5. 阅读充电器规格参数时的提示
功率是电压与电流的乘积。一个 USB Power Delivery 充电器会公布一组电压等级及其最大电流（通常为 5、9、12、15 和 20 V），设备会选择所需的等级。“45 W”标签通常只有在 20 V × 2,25 A 时才能达到；在 5 V 时，所有 PD 充电器只能提供 5 V × 3 A = 15 W。仅支持 5 V 的设备即使插入 45 W 充电器，也不会充电更快。PPS（Programmable Power Supply）模式允许设备以 20 mV 的步长请求 3,3–21 V 范围内的电压，并以 50 mA 的步长设置限流，从而减少设备内部的电压转换部分，使设备发热更少 [2]。
GaN 也需要放在正确的位置。在 20 W 及以下功率下，绝对损耗本来就很小（效率为 90% 时，仅约 2,2 W），因此 GaN 带来的节省也相应很小。与这一判断相符，OH-Tech 产品目录中的 20 W 型号（OH-K20 和 SR-GZ01）在规格中明确注明不使用 GaN。作者认为，随着功率提升，GaN 的优势会逐渐明显，从 30 W 及以上功率区间开始体现。表 3 列出了现有的 GaN 型号。
| 产品型号 | 最大功率 | 接口 | USB-C 上的最高 PD 功率 | 协议 / 备注 |
|---|---|---|---|---|
| OH-K30 | 30 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,5 A | PD 3.0, PPS, QC 3.0 |
| OH-K26 | 35 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,75 A | USB-C 输出符合 PD 规格 |
| SR-GZ03 (Syron) | 35 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,75 A | USB-C 输出符合 PD 规格 |
| OH-K27 | 45 W | 1 × USB-C + 1 × USB-A | 20 V / 2,25 A | USB-A 接口：5 V/3 A, 9 V/2 A, 12 V/1,5 A |
| OH-K28 | 67 W | 1 × USB-A | 不适用 | SuperVOOC, VOOC, Mi Turbo, SCP, FCP, QC 3.0, AFC |
表3. OH-Tech 和 Syron 的部分 GaN 充电器。数据依据制造商公布的规格；作者尚未进行独立测量。
五款型号的参数中都标明了过压、过流和过热保护，并提供12个月保修。只有 OH-K28 通过各手机厂商自有的快充协议在 USB-A 端口上达到 67 W，因此只有设备支持相应协议时才能发挥出来。其他型号采用 USB-C 和 USB PD，适用范围更广，兼容耗电量在充电器功率范围内的手机、平板电脑和 laptop。充电器只是其中一环；随附的线缆也必须承受相应的电流。普通线缆可承受 3 A，5 A 线缆必须带有 E-Marker 芯片；有关这一主题的分析详见文章 从 USB-A 到 USB-C：30 年充电线发展史，以及如何正确选择线缆。
6. Hạn chế
- 数据来源。 有关效率和功率密度的数据来自组件制造商的参考文档（Texas Instruments, STMicroelectronics）。这些文档在技术上具有参考价值，但同时也属于组件宣传资料，测量条件由制造商自行选择。
- 尚无独立测量。 本文未提供在 OH-Tech 产品上的测量结果。所有产品规格均为公布参数。
- 简化模型。 第3节中的分析仅考虑了输出电容引起的损耗。导通损耗、变压器铁芯和铜损、二次侧整流损耗以及 EMI 抗干扰要求也会影响最终结果。
- 说明性数字。 第4节的计算采用两个假定的效率水平（90% 和 94%），用于展示数量级，而非实测值。
- 利益声明。 本文由 OH-Tech 撰写，并提及 OH-Tech 自家的产品。
7. 结论
GaN 在充电器中的核心优势并不在于“神奇地运行得更凉快”，而在于一条因果链：宽禁带、低寄生电容、低开关损耗、更高频率、更小的变压器和更高的功率密度。效率提升确实存在，但幅度仅为几个百分点，而且大部分价值体现在同等功率下体积更小巧的充电器上。对于消费者，正确的评估方式是查看 20 V 下的功率、支持的协议（PD、PPS）、保护层级以及随附线缆，而不是只关注包装上的 GaN 两个字。
常见问题
什么是 GaN？
GaN 是 Gallium Nitride 的缩写，是一种由镓和氮组成的半导体，带隙宽度约为 3,4 eV。在充电器中，它被用作开关晶体管，以取代硅 MOSFET。
GaN 充电器真的比硅充电器更凉吗？
在相同功率下，GaN 充电器通常产生的热量更少，因为开关损耗更低；差异程度取决于设计。然而，GaN 充电器通常更小，因此散热面积也更小，所以外壳温度不一定更低。
应该选择多大功率的 GaN 充电器？
选择功率等于或高于设备所需功率的充电器；充电器只会提供设备所需的功率。GaN 从约 30 W 开始具有明显优势，此时绝对损耗和变压器尺寸开始产生显著影响。在 20 W 及以下，优势较小。
PPS 是什么，是否需要？
PPS (Programmable Power Supply) 是 USB PD 的一种模式，允许设备按 20 mV 的步长请求 3,3–21 V 范围内的电压，并按 50 mA 的步长请求电流。有些手机使用 PPS 进行快速充电，且发热更少。如果你的手机支持 PPS，请选择标有 PPS 的充电器，例如 OH-K30。
45 W 及以上的充电器应使用哪种线缆？
在 20 V 下，45 W 充电器的电流为 2,25 A，处于普通线缆 3 A 的上限范围内。对于需要承载超过 3 A 电流的线缆（最高 5 A，即在 20 V 下为 100 W），线缆必须根据 USB Type-C 标准配备 E-Marker 芯片。
OH-Tech 有哪些 GaN 充电器？
目前的产品系列包括 OH-K30 (30 W)、OH-K26 (35 W)、SR-GZ03 (35 W)、OH-K27 (45 W) 和 OH-K28 (67 W)，此外还有 GaN 充电器线套装，例如 OH-B30C。售价以报价为准，请联系 OH-Tech 或经销商咨询。
参考资料
- European Commission. The EU common charger (Radio Equipment Directive, Directive (EU) 2022/2380). single-market-economy.ec.europa.eu。
- USB Implementers Forum. USB Power Delivery Specification, 修订版 3.1（2021）；PPS 范围见 USB-IF 的“USB Power Delivery”演示文稿。
- Shaukat, A.（2024年4月10日）. GaN vs SiC: A look at two popular WBG semiconductors in power. EDN. edn.com。
- Baliga, B. J.（1982）. Semiconductors for high-voltage, vertical channel field-effect transistors. Journal of Applied Physics, 53, 1759–1764. doi:10.1063/1.331646。
- Millán, J., Godignon, P., Perpiñà, X., Pérez-Tomás, A., & Rebollo, J.（2014）. A survey of wide bandgap power semiconductor devices. IEEE Transactions on Power Electronics, 29(5), 2155–2163. doi:10.1109/TPEL.2013.2268900。
- Lidow, A., de Rooij, M., Strydom, J., Reusch, D., & Glaser, J.（2019）. GaN Transistors for Efficient Power Conversion（第3版）. Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7。
- McLyman, W. T.（2011）. Transformer and Inductor Design Handbook（第4版）. CRC Press. ISBN 978-1-4398-3687-3。
- Texas Instruments.（2023年11月）. 65-W, GaN-based USB PD 3.0 USB Type-C adapter reference design (TIDA-050072, TIDUF57). ti.com。
- STMicroelectronics.（2023年10月18日）. Benefits of GaN in QR flyback. 在 Digital We Days 2023 上发表，Würth Elektronik. we-online.com。
