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(jī)快速充電這個(gè)話題又火熱起來(lái)了，而且熱度不減。這不由得讓我們想起前幾年手機(jī)圈兒掀起的第一波“快充”熱潮，彼時(shí)眾多手機(jī)廠商都將快充作為一個(gè)新賣點(diǎn)，“充電n分鐘，通話n小時(shí)”的廣告語(yǔ)不絕于耳，各種快充標(biāo)準(zhǔn)也是紛紛登場(chǎng)，意欲在市場(chǎng)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(chǎng)需求，還是僅僅“虛火”一場(chǎng)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(chǎng)調(diào)研及分析數(shù)據(jù)表明，中國(guó)有86%的人口正在使用移動(dòng)支付。在中國(guó)的許多城市，即使是小攤販也可以使用手機(jī)進(jìn)行交易，越來(lái)越多的中國(guó)人出門(mén)不再攜帶現(xiàn)金和信用卡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，移動(dòng)支付可使消費(fèi)頻次增長(zhǎng)23%以上，在拉動(dòng)內(nèi)需上功不可沒(méi)?？梢哉f(shuō)，通過(guò)智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和非接觸式現(xiàn)金卡來(lái)代替現(xiàn)金和傳統(tǒng)信用卡的移動(dòng)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(jī)健康碼等應(yīng)用，智能手機(jī)等移動(dòng)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(guó)移動(dòng)電話用戶總數(shù)達(dá)到16億。

圖1：中國(guó)有86%的人口正在使用移動(dòng)支付

（資料來(lái)源：Global Consumer Insights Survey 2019） 在如此高的手機(jī)普及率下，想必很多消費(fèi)者都有這樣痛苦的經(jīng)歷：刷碼付款的關(guān)鍵時(shí)刻，手機(jī)沒(méi)電了。而移動(dòng)支付，僅僅是隨著普及率的攀升，人們對(duì)手機(jī)“依賴”程度日趨增加的一個(gè)縮影。智能手機(jī)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(fèi)者對(duì)其的最大期望。這樣的要求，也在延伸到其他和手機(jī)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(duì)于經(jīng)常出差或旅行的旅客來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)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(gè)設(shè)備，在等待登機(jī)或乘坐火車時(shí)給手機(jī)、筆記本電腦和耳機(jī)充電時(shí)，幾個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間也是讓人難以忍受的。

現(xiàn)在，快充已經(jīng)不僅僅是一項(xiàng)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(jī)、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(jià)值數(shù)十億美元的快速充電器市場(chǎng)。而對(duì)快速迭代的快充充電器來(lái)說(shuō)，這兩年一個(gè)最突出的變化，就是氮化鎵（GaN）技術(shù)的應(yīng)用。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2018年以來(lái)，三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌，已經(jīng)向市場(chǎng)提供了數(shù)百萬(wàn)個(gè)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(jià)格介于69.99美元和18.99美元之間。

去年9月份，有媒體對(duì)市售的多款USB PD氮化鎵充電器進(jìn)行了拆解評(píng)測(cè)，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(gè)趨勢(shì)非常明顯，即充電器的功率越做越大，而產(chǎn)品的體積越來(lái)越小。

為什么必須是GaN？GaN充電器市場(chǎng)之所以這么熱，主要還是因?yàn)樗粌H功率大、充電快，體積還小很多。這些優(yōu)勢(shì)大多源于GaN獨(dú)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(dú)特的高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、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(duì)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(chǎng)上的GaN快充充電器主要采用650V GaN功率芯片（GaNFETs）作為電源開(kāi)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(jī)、平板電腦、耳機(jī)和VR耳機(jī)等其他各種移動(dòng)設(shè)備快速并安全地充電?？梢哉f(shuō)，一個(gè)GaN充電器就能為你擁有的所有移動(dòng)設(shè)備充電，不僅節(jié)省時(shí)間、重量減輕，更可以節(jié)省購(gòu)買不同充電器的費(fèi)用。

圖2：小米GaN Type-C 65W充電器（圖片來(lái)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?jī)H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(shí)，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(jià)僅為139元。

說(shuō)到這里大家可能都明白了，現(xiàn)在的“快充”市場(chǎng)之所以火熱，除了市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)，很大程度上也得益于GaN技術(shù)的發(fā)展。借助GaN獨(dú)有的物理特性，能夠讓消費(fèi)者以較低的成本就能得到一個(gè)能為手里所有便攜式電子設(shè)備快速充電的產(chǎn)品。要說(shuō)這一波“快充”市場(chǎng)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(chǎng)目前主要由半導(dǎo)體行業(yè)的巨頭主導(dǎo)，很多國(guó)際大公司早就看到了GaN的商業(yè)價(jià)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(dú)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(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，各個(gè)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(shí)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(chǎng)發(fā)展的腳步。 德州儀器最近也展示了其自主開(kāi)發(fā)的對(duì)流冷卻900V、5kW雙向AC/DC平臺(tái)，這是其GaN器件研發(fā)的最新成果，進(jìn)一步擴(kuò)展了GaN在汽車、并網(wǎng)存儲(chǔ)和太陽(yáng)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(chǎng)，據(jù)稱市場(chǎng)上約有50余種使用了GaNFast的移動(dòng)快充產(chǎn)品和平臺(tái)。 Power Integrations在其新發(fā)布的InnoSwitch3器件中，用GaN開(kāi)關(guān)晶體管替換了IC初級(jí)的常規(guī)高壓硅晶體管，大幅降低電源系統(tǒng)能耗，無(wú)需使用散熱片即可實(shí)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(gè)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(jī)配置中晶體管的替代品。 這一波GaN快充市場(chǎng)熱潮，也成為中國(guó)本土半導(dǎo)體公司關(guān)注的“新賽道”。在中國(guó)，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(guó)內(nèi)雖然進(jìn)入第三代寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域比較晚，但進(jìn)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(guó)芯片”的GaN快速充電器，引起業(yè)界高度關(guān)注。這款“中國(guó)芯片”來(lái)自于英諾賽科的“InnoGaN”系列電源芯片，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)GaN器件正式應(yīng)用于消費(fèi)類電力產(chǎn)品中。

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

節(jié)能是一個(gè)永恒的話題，全球各地正在積極推出各種應(yīng)對(duì)措施，而邁向節(jié)能世界的一個(gè)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(guò)更高的功率密度實(shí)現(xiàn)了更小、更輕的設(shè)計(jì)。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(kāi)創(chuàng)電力電子的一個(gè)新紀(jì)元。