GaN充電器とは？なぜ小型化できる？発熱・効率・歴史をわかりやすく解説

スマートフォンの充電器を探していると、最近よく見かけるようになった「GaN（ガン）」という言葉。

「GaNだから小さい」

「GaNだから発熱が少ない」

「GaNだから急速充電できる」

といった説明を目にすることがあります。

では、GaNとは一体何なのでしょうか？

結論から言えば、GaNはUSB PDやPPSのような充電規格ではありません。

GaNはGallium Nitride（窒化ガリウム）という半導体材料のことで、充電器内部の電力変換に使われる半導体に採用されています。

GaNの特性を利用することで、充電器を小型・高効率・高出力に設計しやすくなります。
しかも、GaNそのものはスマートフォン用充電器が登場するずっと前から研究されてきた材料です。

では、なぜ2018年ごろから「GaN充電器」が注目されるようになったのでしょうか？

この記事では、GaNの歴史から、充電器が小さくなる理由、発熱との関係、USB PDやPPSとの違いまで、スマホユーザーに必要な範囲で分かりやすく解説します。

出典：Anker公式サイト　（Anker Nano II 65W）

GaNとは？

GaN（Gallium Nitride）は、日本語では窒化ガリウムと呼ばれる化合物半導体です。

これまで多くの電源装置では、シリコン（Si）を使った半導体が利用されてきました。

GaNはシリコンとは異なる特性を持っており、特に高速なスイッチング動作や高効率な電力変換に適しています。

ここで重要なのは、

GaNは「充電規格」ではなく「半導体技術」である

ということです。

例えば、

USB PD
PPS
Quick Charge
SuperVOOC

などは、電力の供給や制御に関係する規格・技術です。

一方のGaNは、そうした電力を変換する充電器の内部で使われる半導体材料です。

GaNはいつからある？

「GaN充電器」という名前だけを見ると、GaNは最近登場した新技術のように感じるかもしれません。

しかし、GaNそのものはかなり以前から研究されてきました。

GaNが特に有名になったきっかけの一つが、青色LEDです。

GaNを使った青色LEDの実用化につながる研究が進み、1990年代には高輝度青色LEDが実用化されました。

この分野では、日本の赤﨑勇氏、天野浩氏、中村修二氏らが大きな功績を残しています。

2014年には、この青色LEDの実現に関する功績によって、3人がノーベル物理学賞を受賞しました。

つまり、

GaNは「スマホ充電器のために最近作られた材料」ではありません。

長年研究されてきた半導体材料が、後になって電力変換の分野でも本格的に利用されるようになったのです。

GaNが充電器に使われ始めたのはいつ？

GaNを使ったパワー半導体の実用化は2010年前後から進んでいました。

しかし、一般の人が「GaN」という言葉を充電器で頻繁に目にするようになったのは、2018年ごろです。

Ankerは2018年10月、GaNを採用した「PowerPort III Atom PD」を発売しました。これは同社初のGaN充電器とされています。

当時注目されたのが、小さいのに高出力という特徴でした。

従来の充電器では大きくなりやすかった30Wや40Wクラスの電源を、よりコンパクトなサイズにまとめられることが大きな魅力だったのです。

その後、GaN充電器は65W、100W、さらにそれ以上の出力へと広がっていきました。

現在ではスマートフォンだけでなく、

タブレット
ノートPC
ゲーム機
モバイルバッテリー

などを1台で充電できる高出力充電器にも使われています。

なぜGaN充電器は小さい？

ここがGaNの最大の特徴です。

充電器は、コンセントから入ってきた電気をそのままスマートフォンへ流しているわけではありません。

内部では半導体などを使って、電圧や電流を変換・制御しています。

このとき、半導体が高速でオン・オフするスイッチング動作を行います。

この電力変換にはどうしても損失が発生します。

損失が大きくなれば、その分だけ熱として放出されます。

熱を逃がすためには、

放熱部品
ヒートシンク
基板上のスペース
部品同士の距離

などが必要になります。

そこでGaNの特性が生きてきます。

GaNは高速なスイッチング動作に適しているため、電力変換回路を高効率・高周波で設計しやすくなります。

その結果、周辺部品を小型化しやすくなり、充電器全体も小さくできるのです。

「GaNだから小さい」は少し違う

ここは誤解しやすいところです。

GaNという半導体そのものが小さいから、充電器も小さくなるわけではありません。

より正確には、

GaNの特性を利用することで、充電器内部の電力変換回路を小型化しやすくなる

ということです。

つまり、

GaN半導体

高速スイッチング・高効率化

電力変換回路を小型化しやすい

充電器全体を小型化しやすい

高周波スイッチングがなぜ小型化につながる？

少し専門的な話になりますが、GaNの小型化を理解するうえで重要なポイントです。

充電器内部では、半導体を高速でオン・オフさせながら電力を変換しています。

スイッチング周波数を高くすると、電力変換回路に使われるトランスやインダクタなどの磁性部品を小型化しやすくなります。

そのため、

高速スイッチング

磁性部品を小型化

電力変換回路を小型化

充電器を小型化

ということが可能になります。

これが、GaN充電器の「高出力なのに小さい」という特徴につながっています。

GaNは発熱が少ない？

GaNについてもう一つよく聞くのが「発熱が少ない」という話です。

これも基本的にはメリットの一つですが、

GaNなら熱くならない

という意味ではありません。

充電器で電力を変換すると、どうしても一定の電力損失が発生します。

その損失の一部が熱になります。

GaNは高速・高効率なスイッチングに適しているため、電力変換時の損失を抑えやすくなります。

つまり、

電力損失が少ない
↓
熱として発生するエネルギーも少なくできる

という関係です。

これが、GaN充電器が「発熱を抑えやすい」と言われる理由です。

でもGaN充電器が熱くなることはある

「GaNなら熱くならないはずなのに、触ったら熱い」と思うことがあるかもしれません。

しかし、これは必ずしも異常ではありません。

充電器の発熱はGaNだけで決まるものではないからです。

例えば、

出力電力
電力変換効率
回路設計
スイッチング方式
放熱設計
周囲温度
充電器のサイズ
内部部品

などが関係します。

特に100Wなどの高出力を小さな筐体に詰め込めば、熱対策は重要になります。

そのため、

GaN＝発熱ゼロ

ではなく、

GaNは電力損失を抑えやすく、発熱低減にも有利な技術

と理解するのが正確です。

小さいから「熱く感じる」こともある

もう一つ注意したいのが、充電器の表面温度と内部で発生している熱量は同じ意味ではないということです。

小型の充電器は表面積も小さくなります。
そのため、同じ程度の熱が発生していても、筐体の表面温度が高く感じられることがあります。

つまり、「小さいGaN充電器だから、触ると意外と熱い」ということがあっても、それだけで異常とは判断できません。重要なのは、製品として適切に設計されているかどうかです。

GaNなら充電速度も速い？

いいえ。GaNだから充電速度が速くなるわけではありません。

ここは非常に重要です。

充電速度は、

スマートフォン側の対応電力
充電器の最大出力
USB PD対応
PPS対応
メーカー独自規格への対応
ケーブル
スマートフォン内部の充電回路

などによって決まります。

GaNはその中で、

「充電器側の電力変換を効率よく行いやすくする技術」

という位置付けです。

例えば、

GaN・100W

と書かれた充電器があったとしても、スマートフォンが25Wまでしか受けられなければ、100Wで充電できるわけではありません。

USB PD・PPS・GaNの違い

この3つは充電器の商品ページで一緒に登場することが多いため、混同されがちです。

用語	何を意味する？
USB PD	USBで電力を供給する標準規格
PPS	電圧・電流を細かく調整する仕組み
GaN	充電器内部の半導体技術

例えば、

「GaN採用・USB PD対応・PPS対応・最大65W」

という充電器なら、

GaN → 内部の半導体技術
USB PD → 電力供給の標準規格
PPS → 電力を細かく調整する仕組み
65W → 最大出力

という意味です。

それぞれ役割が違います。

GaNとシリコンは何が違う？

従来の充電器では、シリコン（Si）を使った半導体が広く利用されてきました。

GaNは、そのシリコンとは異なる半導体材料です。

大まかに言えば、GaNは電力変換用途において、

高速スイッチング
高効率化
高周波動作
小型化

といった方向でメリットを持っています。

ただし、

GaNがシリコンの完全な上位互換

というわけではありません。

用途や回路によって適した半導体は異なります。

充電器では、GaNの特性が「小型・高出力」という現在のニーズと非常に相性が良かったため、採用が広がったと考えると分かりやすいでしょう。

なぜスマホ時代にGaNが注目された？

GaNの普及には、スマートフォンを取り巻く充電環境の変化も大きく関係しています。

以前のスマートフォン充電器は、比較的低い出力のものが中心でした。

しかし現在は、

スマートフォンの急速充電
タブレット
ノートPCのUSB-C充電
複数機器の同時充電

などによって、充電器に求められる出力が大きくなっています。

そこで、

「高出力なのに持ち運びやすい充電器が欲しい」

という需要が生まれました。

この需要とGaNの特性がうまく噛み合ったのです。

特にUSB Type-CとUSB PDの普及によって、USB-C充電器がスマートフォンだけでなくPCなどにも使われるようになったことは大きな転換点でした。

GaN充電器はスマホ本体にも入っている？

ここでいうGaN充電器のGaNは、基本的に充電器側の電力変換回路に使われています。

「GaN充電器」と書かれているからといって、スマートフォン本体にGaNが搭載されているという意味ではありません。

スマートフォン本体にも電源管理ICや充電回路がありますが、一般に「GaN充電器」と呼ばれる場合は、コンセントから受け取った電力を変換するACアダプター側の半導体を指します。

GaN充電器を選ぶときは何を見る？

「GaN」と書いてあることだけを見て充電器を選ぶ必要はありません。

確認したいのは、まず次の項目です。

最大出力

30W、45W、65W、100Wなど、充電器によって出力が異なります。

スマートフォンだけなら30～45W程度でも十分な機種が多く、タブレットやノートPCまで充電するなら65W以上が候補になります。

ただし、必要な出力は機器によって異なります。

USB PD対応

USB Type-Cを使った標準的な急速充電を利用したいなら、USB PD対応を確認しましょう。

PPS対応

Androidスマートフォンでは、PPS対応が重要になる機種があります。

特にPPSを利用して高速充電する機種では、充電器側もPPSに対応している必要があります。

複数ポート使用時の出力

「最大100W」と書いてあっても、複数のポートを同時に使うと、それぞれの出力が下がる場合があります。

スマートフォンとノートPCを同時に充電したい場合などは、ここを確認しましょう。

ケーブル

高出力のUSB PDを利用する場合は、充電器だけでなくケーブル側の対応電力も重要です。

充電器が100Wに対応していても、ケーブルがその出力に対応していなければ、100Wでの充電はできません。

GaN充電器のメリット・注意点

メリット	注意点
小型化しやすい	GaNだから必ず小さいとは限らない
高出力化しやすい	高出力では発熱する
高効率化しやすい	製品ごとに効率は異なる
発熱を抑えやすい	「熱くならない」わけではない
持ち運びやすい	GaNだけでは充電速度は決まらない
複数機器の充電と相性が良い	価格が高めの製品もある