快速充電是電池供電設(shè)備的“救星”

從去年年底到現(xiàn)在，手機快速充電這個話題又火熱起來了，而且熱度不減。這不由得讓我們想起前幾年手機圈兒掀起的第一波“快充”熱潮，彼時眾多手機廠商都將快充作為一個新賣點，“充電n分鐘，通話n小時”的廣告語不絕于耳，各種快充標(biāo)準(zhǔn)也是紛紛登場，意欲在市場上一決雌雄。 而發(fā)端于去年的這第二波“快充”熱潮，這其中是真有市場需求，還是僅僅“虛火”一場呢？讓我們走到幕后看看究竟發(fā)生了什么，也許能明白一二。

快速充電是電池供電設(shè)備的“救星”普華永道的市場調(diào)研及分析數(shù)據(jù)表明，中國有86%的人口正在使用移動支付。在中國的許多城市，即使是小攤販也可以使用手機進行交易，越來越多的中國人出門不再攜帶現(xiàn)金和信用卡。據(jù)統(tǒng)計，移動支付可使消費頻次增長23%以上，在拉動內(nèi)需上功不可沒?？梢哉f，通過智能手機、可穿戴設(shè)備和非接觸式現(xiàn)金卡來代替現(xiàn)金和傳統(tǒng)信用卡的移動支付方式，徹底改變了我們現(xiàn)有的支付方式。如果算上刷碼乘車、新冠肺炎疫情期間出示手機健康碼等應(yīng)用，智能手機等移動設(shè)備已經(jīng)成為人們生活的必需品。根據(jù)工信部的數(shù)據(jù)，截至2019年11月底，我國移動電話用戶總數(shù)達(dá)到16億。

圖1：中國有86%的人口正在使用移動支付

（資料來源：Global Consumer Insights Survey 2019） 在如此高的手機普及率下，想必很多消費者都有這樣痛苦的經(jīng)歷：刷碼付款的關(guān)鍵時刻，手機沒電了。而移動支付，僅僅是隨著普及率的攀升，人們對手機“依賴”程度日趨增加的一個縮影。智能手機越是深度地融入我們的生活，“永遠(yuǎn)在線”也就越發(fā)成為消費者對其的最大期望。這樣的要求，也在延伸到其他和手機密切關(guān)聯(lián)的便攜式聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，比如可穿戴設(shè)備。 對于經(jīng)常出差或旅行的旅客來說，由于每個便攜式電子設(shè)備的充電方式相互不兼容，他們必須攜帶各種充電器或適配器，不僅要不厭其煩地記住這些適配器分別適用于哪個設(shè)備，在等待登機或乘坐火車時給手機、筆記本電腦和耳機充電時，幾個小時的充電時間也是讓人難以忍受的。

現(xiàn)在，快充已經(jīng)不僅僅是一項技術(shù)，它正在成為我們生活中的剛需，直接影響了人們的生活質(zhì)量。

新一代的“快充”充電器配有大屏幕、大電池的智能手機、平板電腦和筆記本電腦等電子設(shè)備的保有量持續(xù)攀升的的現(xiàn)狀，極大地刺激并創(chuàng)造了價值數(shù)十億美元的快速充電器市場。而對快速迭代的快充充電器來說，這兩年一個最突出的變化，就是氮化鎵（GaN）技術(shù)的應(yīng)用。 據(jù)統(tǒng)計，自2018年以來，三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌，已經(jīng)向市場提供了數(shù)百萬個氮化鎵（GaN）快速充電器。在亞馬遜網(wǎng)站上，GaN充電器的種類多達(dá)近百種，功率從30W到100W不等，價格介于69.99美元和18.99美元之間。

去年9月份，有媒體對市售的多款USB PD氮化鎵充電器進行了拆解評測，這些產(chǎn)品雖然性能指標(biāo)有較大差異，但與上一代快充產(chǎn)品相比有一個趨勢非常明顯，即充電器的功率越做越大，而產(chǎn)品的體積越來越小。

為什么必須是GaN？GaN充電器市場之所以這么熱，主要還是因為它不僅功率大、充電快，體積還小很多。這些優(yōu)勢大多源于GaN獨有的物理特性。 GaN屬于第三代寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，擁有獨特的高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特性。它的禁帶寬度約為3.4eV，電子遷移率非常高，比硅（Si）快了近20倍，不僅能夠滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等提出的最新需求，還可以降低50%以上的能量損失，最高可使設(shè)備的體積減小近75%。 目前市場上的GaN快充充電器主要采用650V GaN功率芯片（GaNFETs）作為電源開關(guān)，利用GaN的高頻特性使終端快速充電產(chǎn)品體積更小、效率更高。 將GaN器件用于充電器中，不僅能提供足夠的電量為筆記本電腦快速充電，還能為智能手機、平板電腦、耳機和VR耳機等其他各種移動設(shè)備快速并安全地充電?？梢哉f，一個GaN充電器就能為你擁有的所有移動設(shè)備充電，不僅節(jié)省時間、重量減輕，更可以節(jié)省購買不同充電器的費用。

圖2：小米GaN Type-C 65W充電器（圖片來源：京東商城） 小米今年2月份推出的小米GaN Type-C 65W充電器，重量僅有82克，體積比小米筆記本標(biāo)配的適配器減小約48%。在小米公司的宣傳材料中可以看到，小米GaN Type-C 65W充電器只需45分鐘就能為小米10 Pro充滿電；為iPhone 11充電時，充電速度比5W原裝充電器快了近50%。就是這樣一款既小巧、充電速度又快的產(chǎn)品，在京東商城上的售價僅為139元。

說到這里大家可能都明白了，現(xiàn)在的“快充”市場之所以火熱，除了市場需求的驅(qū)動，很大程度上也得益于GaN技術(shù)的發(fā)展。借助GaN獨有的物理特性，能夠讓消費者以較低的成本就能得到一個能為手里所有便攜式電子設(shè)備快速充電的產(chǎn)品。要說這一波“快充”市場熱潮幕后的技術(shù)推手，一定是非GaN莫屬了。

GaN技術(shù)商用的推手GaN市場目前主要由半導(dǎo)體行業(yè)的巨頭主導(dǎo)，很多國際大公司早就看到了GaN的商業(yè)價值，他們投入了大量資金用于GaN器件的研發(fā)。 Cree屬于較早投身GaN和SiC器件研發(fā)的企業(yè)，為此他們不惜放棄自己獨領(lǐng)風(fēng)騷很多年的LED照明業(yè)務(wù)。隨著Panasonic（松下）、TI（德州儀器）、Navitas、Power Integrations等公司的加入，GaN市場的競爭越來越激烈，各個廠商推新的節(jié)奏也明顯在加快。 英飛凌就宣稱其是一家同時掌握Si、SiC和GaN等各種功率半導(dǎo)體技術(shù)的公司，它深厚的技術(shù)功底，可以緊隨市場發(fā)展的腳步。 德州儀器最近也展示了其自主開發(fā)的對流冷卻900V、5kW雙向AC/DC平臺，這是其GaN器件研發(fā)的最新成果，進一步擴展了GaN在汽車、并網(wǎng)存儲和太陽能等領(lǐng)域的新應(yīng)用。 Navitas的GaNFast電源IC一直在深耕充電頭市場，據(jù)稱市場上約有50余種使用了GaNFast的移動快充產(chǎn)品和平臺。 Power Integrations在其新發(fā)布的InnoSwitch3器件中，用GaN開關(guān)晶體管替換了IC初級的常規(guī)高壓硅晶體管，大幅降低電源系統(tǒng)能耗，無需使用散熱片即可實現(xiàn)高達(dá)95%的效率及100W的輸出功率。 松下利用其獲得專利的X-GaN技術(shù)，在多個應(yīng)用領(lǐng)域生產(chǎn)GaN基晶體管，包括效率高達(dá)99%的功率轉(zhuǎn)換器和電機配置中晶體管的替代品。 這一波GaN快充市場熱潮，也成為中國本土半導(dǎo)體公司關(guān)注的“新賽道”。在中國，大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)已是“新基建”的重要內(nèi)容。國內(nèi)雖然進入第三代寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域比較晚，但進步很快，已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批GaN器件IDM企業(yè)，比如蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華、海威華芯等。今年4月份，洛克（ROCK）公司發(fā)布了首款內(nèi)置“中國芯片”的GaN快速充電器，引起業(yè)界高度關(guān)注。這款“中國芯片”來自于英諾賽科的“InnoGaN”系列電源芯片，標(biāo)志著國產(chǎn)GaN器件正式應(yīng)用于消費類電力產(chǎn)品中。

圖3：洛克公司推出的首款內(nèi)置“中國芯片”的GaN快速充電器（圖片來源：充電頭網(wǎng)）

節(jié)能是一個永恒的話題，全球各地正在積極推出各種應(yīng)對措施，而邁向節(jié)能世界的一個關(guān)鍵步驟就是新材料的應(yīng)用。在快速充電的熱潮中，GaN材料通過更高的功率密度實現(xiàn)了更小、更輕的設(shè)計。隨著整體系統(tǒng)成本的降低，以GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體將開創(chuàng)電力電子的一個新紀(jì)元。