Безопасны ли зарядные устройства на основе GaN? Что должен знать каждый покупатель OEM и владелец бренда

В октябре прошлого года один бренд потребительской электроники из Шэньчжэня запустил на Amazon 65-ваттный GaN-зарядник. Продажи были хорошими в течение трех недель. Затем один покупатель опубликовал фотографию расплавленного порта USB-C, и листинг был приостановлен в течение 48 часов.

Зарядник прошел базовые испытания CE, но он никогда не тестировался в условиях термического напряжения, которые могут возникнуть при высоких частотах переключения GaN в компактных корпусах.

Проблема не заключалась в самой технологии GaN. Виноват был поставщик, который рассматривал GaN как прямую замену кремнию, не перепроверяя термическую конструкцию.

Если вы оцениваете GaN-зарядники для своей линейки продуктов, вопрос "безопасны ли GaN-зарядники?" не имеет простого ответа да или нет. Полупроводники GaN (галлийнитрид) обладают реальными преимуществами по безопасности по сравнению с традиционным кремнием, но эти преимущества проявляются только тогда, когда зарядник правильно спроектирован, протестирован и сертифицирован.

В этой статье разбирается безопасность GaN-зарядов, сравниваются они с альтернативами на основе кремния, и дается список проверки для закупки GaN-зарядов, которые не станут вашей следующей головной болью из-за отзыва продукции.

Как работает технология GaN и почему это важно для безопасности

Галлийнитрид - это полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной. В отличие от кремния, который в течение десятилетий был основой силовой электроники, GaN может работать при более высоких напряжениях, более высоких частотах и более высоких температурах с меньшими потерями энергии.

Для дизайна зарядных устройств это означает три свойства, связанные с безопасностью:

• Более высокая эффективность: зарядные устройства на основе GaN обычно преобразуют 92–95% входной мощности в выходную, в то время как кремниевые зарядные устройства - 80–87%. Меньше потерь энергии означает меньше тепла.

• Более высокая частота переключения: транзисторы на основе GaN переключаются быстрее, что позволяет использовать меньшие трансформаторы и конденсаторы. Это позволяет создавать компактные конструкции без потери мощности.

• Лучшая тепловая характеристика: широкая запрещенная зона GaN позволяет ему работать при температурах стыка выше 150°C без ухудшения характеристик, в то время как кремний начинает терять свои свойства при температурах выше 125°C.

Эти свойства не автоматически делают каждый зарядник на основе GaN безопасным. Они позволяют создать более безопасный и компактный зарядник, но только в том случае, если дизайнер учитывает уникальные характеристики GaN в процессе проектирования.

Безопасны ли зарядные устройства на основе GaN по сравнению с кремниевыми зарядными устройствами?

При сравнении зарядных устройств на основе GaN и кремниевых зарядных устройств с точки зрения безопасности ответ зависит от того, что вы понимаете под безопасностью. Давайте разберем это по режимам отказа, которые наиболее важны для OEM и владельцев брендов.

Теплообразование и риск термического пробега

Зарядные устройства на основе GaN генерируют меньше лишнего тепла, чем аналогичные кремниевые зарядные устройства. 65-ваттное зарядное устройство на основе GaN, работающее на полной нагрузке, обычно работает на 10–15°C прохладнее, чем кремниевое зарядное устройство, выдающее такую же мощность. Более низкие рабочие температуры снижают риск:

• Деградации компонентов со временем

• Термического пробега в соседних элементах аккумулятора

• Помягчения или плавления материалов корпуса

Однако компактная форма GaN может повлиять на термическую безопасность, если конструктор укладывает слишком большую мощность в слишком малое пространство без надлежащего вентилирования. Зарядное устройство, которое расплавилось в списке на Amazon Shenzhen brand, было 65-ваттным и находилось в корпусе, предназначенном для 45-ваттного кремниевого зарядного устройства. Сам чип GaN был в порядке. Проблема была с тепловым путем.

Безопасность при покупке: GaN дает вам преимущество в теплоотводе, но вы должны проверить тепловую конструкцию конкретного заряда, а не просто доверять маркировке GaN.

Электромагнитное помехи (ЭМИ)

Более высокие частоты переключения GaN могут создавать больше электромагнитных помех, если они не будут должным образом фильтрованы. Зарядные устройства на основе GaN часто переключаются на частотах от 500 кГц до 2 МГц, в то время как кремниевые зарядные устройства работают на частотах от 50 до 200 кГц. ЭМИ является вопросом безопасности, потому что может:

• Повлиять на работу близлежащих медицинских устройств или коммуникационного оборудования

• Привести к нестабильной работе чувствительных электронных устройств

• Привести к неудовлетворительному прохождению тестов на электромагнитную совместимость (FCC или CE), что делает продукт незаконным для продажи

Хорошо спроектированные зарядные устройства на основе GaN включают фильтрацию и экранирование ЭМИ, которые учитывают эти более высокие частоты. Дешевые зарядные устройства на основе GaN часто пропускают или используют недостаточно мощные компоненты для достижения определенной цены.

Безопасность при покупке: Всегда убедитесь, что зарядное устройство на основе GaN прошло тесты на электромагнитную совместимость (FCC Part 15, EN 55032, EN 55035) в аккредитованной лаборатории. Зарядное устройство, которое проходит только тесты на проводимые излучения, но не проходит тесты на излучаемые излучения, представляет риск.

Неисправность компонентов и риск пожара

И зарядные устройства на основе GaN, и на основе кремния могут выйти из строя. Вопрос в том, что происходит, когда это случается. Более высокая эффективность и меньшее выделение тепла GaN уменьшают вероятность катастрофической неисправности, но режим неисправности транзистора GaN отличается от кремниевого.

Мосфет транзисторы на кремнии обычно выходят из строя с коротким замыканием, что может быстро сработать защитой от перегрузки по току. Транзисторы GaN могут выходить из строя по непредсказуемым причинам, и их более высокие рабочие частоты означают, что защитные цепи должны реагировать быстрее.

Современные интегральные схемы зарядных устройств на основе GaN от таких компаний, как Navitas Semiconductor и GaN Systems, интегрируют функции защиты прямо в чип, включая отключение при перегрузке по току, перегрузке по напряжению и перегреве. Эти интегрированные защиты значительно повысили уровень безопасности зарядных устройств на основе GaN за последние три года.

Вывод по безопасности: безопасность зарядного устройства на основе GaN в значительной степени зависит от поставщика интегральных схем и дизайна защитной цепи. Уточните у поставщика, какую интегральную схему GaN они используют, и попросите технические характеристики.

Какие сертификаты нужны для GaN-зарядных устройств?

Часто возникает вопрос при оценке безопасности GaN-зарядных устройств: нужны ли эти зарядные устройства другие сертификаты, чем традиционные кремниевые зарядные устройства. Ответ - нет. GaN-зарядные устройства должны соответствовать тем же стандартам безопасности и ЭМС, что и кремниевые зарядные устройства. Нет отдельного «GaN-серийного сертификата». Требования к сертификации этого GaN-зарядного устройства идентичны тем, которые должны пройти кремниевые зарядные устройства. Ключевые стандарты:

В частности, для зарядных устройств на основе GaN применяются два дополнительных аспекта:

1. Тестирование на ЭМИ на более высоких частотах: Некоторые испытательные лаборатории проводят дополнительную проверку зарядных устройств на основе GaN из-за их более высоких частот переключения. Убедитесь, что ваша испытательная лаборатория имеет опыт работы с конструкциями на основе GaN.

2. Верификация термического снижения мощности: Сертификации, такие как UL 62368-1, включают тестирование на повышение температуры. Зарядные устройства на основе GaN в компактных корпусах должны показать, что температура поверхности остается в пределах допустимых значений в худших условиях.

Совет для OEM: Запрашивайте полный отчет о тестировании, а не только сертификат. Сертификат говорит о том, что зарядное устройство прошло испытание. Отчет о тестировании показывает, насколько близко оно было к неудаче. Зарядное устройство, которое с трудом прошло термическое тестирование при температуре окружающей среды 25°C, может не пройти испытание в горячей складе или внутри закрытого продукта.

Зарядные устройства Anenerge поставляются с документацией UL, CE, UKCA, FCC и DoE Level VI. Посмотрите наши сертификаты или запросите полный пакет тестов для оценки. Вы можете проверить номера сертификатов UL непосредственно в базе данных UL Product iQ.

Реальные риски: дешевые зарядные устройства на основе GaN и поддельные компоненты

Самый большой риск безопасности при использовании зарядных устройств на основе GaN не заключается в технологии. Он заключается на рынке.

Репутация GaN как премиум-технологии привела к появлению большого количества дешевых, несертифицированных зарядных устройств, которые используют метку "GaN" в качестве маркетингового термина. Некоторые из этих зарядных устройств:

• Используют кремниевые МОП-транзисторы с напечатанной на этикетке надписью GaN

• Пропускают фильтрацию ЭМИ для снижения стоимости

• Используют восстановленные или поддельные интегральные схемы GaN, которые выходят из строя при нагрузке

• Несут поддельные марки CE или FCC без фактической тестовой документации

Когда Прия, менеджер по закупкам британского дистрибьютора электроники, закупила партию 65-ваттных зарядных устройств на основе GaN у нового поставщика в конце 2023 года, образцы прошли ее визуальный осмотр и базовые функциональные тесты. Цена была на 30% ниже рыночной. Через шесть месяцев жалобы клиентов на то, что зарядные устройства "слишком горячие, чтобы их трогать", привели к независимым тестам, которые показали, что устройства использовали поддельные интегральные схемы GaN без защиты от перегрева. Дистрибьютор снял 4000 устройств с рынка и потерял два розничных клиента.

Проверка подлинности зарядного устройства стоит лишь доли стоимости рекаламации продукции.

Как защитить себя:

• Запросите спецификацию материалов (BOM) у поставщика зарядного устройства и проверьте номер детали GaN IC в базе данных производителя

• Запросите номера сертификатов UL или ETL и проверьте их в базе данных UL

• Требуйте предоставления полного отчета о тестах на ЭМС от аккредитованной лаборатории

• Проверяйте случайную выборку из продукции, а не только эталонный образец

Безопасность GaN-зарядных устройств для конкретных применений

Разные применения имеют разные требования к безопасности. Вот как безопасность GaN-зарядных устройств применяется в общих случаях использования:

Потребительские электроника (телефоны, планшеты, ноутбуки)

При сравнении характеристик GaN- и кремниевых зарядных устройств для потребительской электроники GaN-зарядные устройства хорошо подходят, так как протокол USB-PD (Power Delivery) обрабатывает согласование между зарядным устройством и устройством. Корректно реализованное галлиево-азотное зарядное устройство с USB-PD будет:

• Подает только напряжение и ток, запрашиваемые устройством

• Выключается, если потеряна связь (переходит на 5В)

• Поддерживает PPS (Программируемое источник питания) для точного управления напряжением

Риск заключается в том, что дешевые зарядные устройства, которые заявляют о поддержке USB - PD, но неправильно реализуют протокол. Это представляет опасность для безопасности USB - PD зарядных устройств, так как может привести к подаче перевысокого напряжения устройствам, которые рассчитаны на определенное напряжение.

Электротранспорт (электровелосипеды, электросамокаты)

Зарядные устройства на основе GaN для электротранспорта должны интегрироваться с BMS батареи и профилем зарядки. Зарядное устройство на основе GaN, которое подает 54,6В на аккумулятор LiFePO4 на 48В (который должен быть заряжен до 58,4В для конфигурации 16S), представляет несоответствие, которое может привести к недозарядке и преждевременной потере емкости. Наоборот, зарядное устройство на основе GaN, которое подает 58,4В на аккумулятор литий - ионный на 48В (который должен быть заряжен до 54,6В для конфигурации 13S), представляет опасность перезарядки.

Для электротранспорта преимущество эффективности GaN имеет значение, так как оно уменьшает нагрев зарядных устройств, которые могут использоваться в закрытых пространствах или в теплой среде. Но зарядное устройство все еще должно соответствовать химии батареи и количеству последовательных элементов. Узнайте, как подобрать зарядное устройство для вашего электротранспортного приложения или изучите наши решения для зарядных устройств электровелосипедов и самокатов.

Промышленные и IoT-устройства

Промышленные приложения часто требуют зарядных устройств, которые работают в широких диапазонах температур и устойчивы к вибрации и влаге. Термостойкость GaN здесь является преимуществом, но корпус зарядного устройства и разъемы должны соответствовать требованиям окружающей среды. Зарядное устройство на основе GaN с разъемами IP20 не подходит для цеха, независимо от того, насколько эффективен внутренний чип GaN.

Как оценить надежность поставщиков зарядных устройств на основе GaN

При закупке зарядных устройств на основе GaN для своей линейки продуктов используйте этот список, чтобы отличить серьезных производителей от перепродавцов, которые просто наклеивают этикетки:

Документацию, которую вы должны получить без запроса:

• Номер сертификата UL или ETL (проверяемый в базе данных UL)

• Объявление CE о соответствии EN 62368-1

• Отчет о тестировании FCC или SDoC (Декларация о соответствии поставщика)

• Заявление о соответствии DoE Level VI

• Декларация о соответствии RoHS

Документацию, которую вы должны запросить:

• Полный отчет о тестах на ЭМИ (не только сертификат)

• Данные о тестах на повышение температуры при максимальной нагрузке и максимальной температуре окружающей среды

• Список материалов (BOM) с названиями производителей и номерами деталей для ключевых компонентов (GaN IC, контроллер, МОП-транзисторы, конденсаторы)

• Кривая заряда или характеристики выходного напряжения/тока с допусками

• Данные о МТБФ (среднее время между отказами) или сводка по тестам на надежность

Предупреждающие признаки, которые должны остановить покупку:

• Поставщик не может предоставить подтверждаемый номер UL или ETL

• Сертификационные документы указывают другое название компании, чем у поставщика

• Нет отчета о тестах на ЭМИ или отчет получен из несанкционированной лаборатории

• Цена на 25% ниже рыночной цены для аналогичных характеристик

• Поставщик не желает предоставить список материалов (BOM) или указать поставщика GaN IC

Свяжитесь с нашей инженерной командой, чтобы проверить параметры вашего заряда относительно этих критериев. Мы предоставляем полный пакет документации для каждого заряда, который мы производим.

Что говорит наука: данные о надежности GaN

Технология полупроводников GaN значительно развилась с того момента, как Navitas Semiconductor представила первый коммерческий силовой микросхемы GaN в 2014 году. Основные выводы о надежности:

• Микросхемы GaN продемонстрировали показатели МТВР, превышающие 10 миллионов часов в ускоренных испытаниях на долговечность, проведенных Navitas и GaN Systems

• Транзисторы GaN демонстрируют меньшее ухудшение заряда затвора, чем кремниевые МОП-транзисторы при эквивалентных условиях напряжения, что означает, что они сохраняют производительность на большем количестве циклов заряда

• Тесты термоциклирования показывают, что пакеты GaN выдерживают более 1000 циклов от -40°C до 125°C без поломок связующих проводов или присоединения кристалла

Однако эти цифры относятся к микросхемам GaN от известных производителей (Navitas, GaN Systems, Infineon, Texas Instruments), испытанных в контролируемых условиях. Поддельные или безымянные чипы GaN не имеют этих данных о надежности, и независимые испытания показали значительные различия в качестве.

В конце концов: технология GaN сама по себе доказана и надежна. Риск заключается в конкретной реализации и подлинности используемых компонентов.

Часто задаваемые вопросы о безопасности зарядных устройств на основе GaN

Безопасно ли оставлять зарядное устройство на основе GaN включенным на ночь?

Да, сертифицированное зарядное устройство на основе GaN от известного бренда можно оставлять включенным на ночь. Зарядные устройства на основе GaN с протоколом USB-PD общаются с подключенным устройством и прекращают подавать энергию, когда устройство полностью заряжено. Само зарядное устройство переходит в режим низкой мощности. Однако это предполагает, что зарядное устройство имеет надлежащую защиту от перегрузки, перепада напряжения и перегрева, поэтому сертификация имеет значение.

Могут ли зарядные устройства на основе GaN перегреваться?

Зарядные устройства на основе GaN генерируют меньше тепла, чем аналогичные кремниевые зарядные устройства из-за более высокой эффективности (92–95% против 80–87%). Однако любое зарядное устройство может перегреться, если оно работает сверх номинальной мощности, находится в закрытом пространстве без вентиляции или используется при температуре окружающей среды выше номинальной. Хорошо спроектированное зарядное устройство на основе GaN включает в себя снижение мощности при перегреве и отключение при превышении температуры, чтобы предотвратить повреждение.

Безопасны ли дешевые зарядные устройства на основе GaN?

Не всегда. Метка "GaN" на зарядном устройстве не гарантирует безопасности. Дешевые зарядные устройства на основе GaN могут использовать поддельные компоненты, не применять фильтрацию ЭМИ или иметь фальшивые сертификационные марки. Всегда проверяйте номера сертификатов UL или ETL самостоятельно и запрашивайте полные отчеты о тестировании, прежде чем закупать товары у незнакомого поставщика.

Повреждают ли зарядные устройства на основе GaN батареи?

Корректно спроектированное зарядное устройство на основе GaN с правильным выходным напряжением и профилем зарядки USB - PD или CC - CV не повредит батареи. Протокол зарядки, а не полупроводниковый материал, определяет, как зарядное устройство взаимодействует с батареей. Зарядное устройство на основе GaN с неправильными настройками напряжения для вашего типа батареи может причинить ту же поломку, что и кремниевый зарядник с таким же несоответствием.

Чем GaN отличается от GaNFast?

GaNFast - это торговая марка для интегральных схем мощности на основе GaN, производимых компанией Navitas Semiconductor. Это не другая технология по сравнению с GaN; это конкретная линейка продуктов - интегрированных мощных ступеней на основе GaN, которые объединяют транзистор на основе GaN, драйвер затвора и логику защиты в одном корпусе. Другие торговые марки интегральных схем на основе GaN включают GaN Systems (теперь часть Infineon) и серию LMG от Texas Instruments.

Нужны ли для зарядных устройств на основе GaN специальные кабели?

Зарядные устройства на основе GaN используют стандартные разъемы USB-C и USB-A. Они не требуют специальных кабелей, но кабель должен быть рассчитан на уровень мощности, который он должен передавать. 100-ваттное зарядное устройство на основе GaN, подключенное к кабелю, рассчитанному на 60 ватт, либо ограничит передачу мощности, либо, в плохо спроектированных системах, перегрузит кабель. Всегда используйте кабели, рассчитанные на максимальную мощность выхода зарядного устройства.

Заключение

Так, безопасны ли зарядные устройства на основе GaN? Технология надежная. Полупроводники GaN обладают реальными преимуществами по безопасности по сравнению с кремниевыми. Они работают более холодно, тратят меньше энергии и выдерживают более высокие температуры. Интегральные схемы GaN от известных производителей показали свою надежность в ускоренных испытаниях на долговечность.

Но сама по себе технология не делает продукт безопасным. Зарядное устройство на основе GaN от поставщика, который пропускает испытания на электромагнитную совместимость, использует поддельные интегральные схемы или неправильно применяет тепловой дизайн, более опасно, чем правильно спроектированное кремниевое зарядное устройство. Полупроводниковый материал - это один из факторов в системе, которая включает в себя контроллерную интегральную схему, цепи защиты, дизайн корпуса, качество кабеля и сертификационные испытания.

Для OEM-покупателей и владельцев брендов решение не заключается в выборе "GaN или кремний". Оно заключается в выборе "проверенный или непроверенный". Зарядное устройство на основе GaN с полной документацией UL, CE и FCC от поставщика, который предоставляет полную прозрачность по составу материалов (BOM) и отчеты о тестировании, является безопасным продуктом. Зарядное устройство на основе GaN с поддельной меткой CE и без данных о тестировании представляет собой риск, независимо от того, что написано на этикетке.

Если вы оцениваете зарядные устройства на основе GaN для вашего следующего продукта, пришлите нам свои требования по мощности и напряжению. Мы предоставим документальную спецификацию зарядного устройства с полными данными о сертификации и образец для ваших тестов.