手機快充進入個位數(shù)時代 GaN功不可沒！
引言
?240W刷新手機快充最高功率密度
2月9日，realme GT Neo5發(fā)布，同時量產(chǎn)首發(fā)搭載240W閃充技術(shù)。該充電器尺寸僅57 x 58 x 30 mm (99 cc)，重量為173g，功率密度達到了業(yè)界領(lǐng)先的2.42 W/cc。使用該充電器為GT3的4600mAh電池充電30秒，僅需4分鐘左右就能充至50%，完全充電可在9分30秒內(nèi)完成。
300W即將刷新手機快充最短時間
2月28日，雷軍公眾號公開了一款名為“300瓦神仙秒充”的GaN充電器，5分鐘充滿100%電，刷新手機快充記錄。據(jù)悉，該快充基于Redmi Note 12探索版魔改而來，實現(xiàn)了300瓦超大功率。在功率大漲43%的情況下，其體積與小米上一代210瓦充電器完全相同，功率密度達到2.31W/cm3。
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小米“300瓦神仙秒充”的GaN充電器
正文
01
30W到300W?手機快充進入個位數(shù)時代
2018~2019年，市場上普遍的快充功率還在20~30 W左右，且體積較大。
2018年10月，ANKER在紐約發(fā)布了全球首款USB PD GaN充電器PowerPort Atom PD1，30W的功率不到55cc的體積，幾乎吊打當時市場上普遍的快充，GaN技術(shù)正式亮相手機快充消費市場。2019年8月，倍思發(fā)布65 W 2C+A GaN充電器，一個月后，OPPO發(fā)布65 W SuperVOOC 2.0快充，功率密度首次超過1W/cc。自此，GaN快充一發(fā)不可收拾，各類品牌的GaN快充加速涌入市場。2020~2022年，品牌廠商密集性發(fā)布快充技術(shù)，65W、120W、210W讓人眼花繚亂。進入2023Q1，realme 240W更是量產(chǎn)發(fā)售，紅米300W 亦是呼之欲出。
從2018年10月GaN手機快充正式亮相到2023Q1 realme 240W量產(chǎn)發(fā)售，GaN快充在體積增長不到1倍的基礎(chǔ)上，當前輸出功率整整是原來的8倍，功率密度是原來的4倍有余。直觀的看，GaN快充即將將手機充電時間縮短到5分鐘，令人瞠目結(jié)舌！02
小體積大功率?GaN功率器件功不可沒
GaN快充技術(shù)的飛速發(fā)展背后的核心是GaN功率器件的強力支撐。那為什么GaN功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)快充的小體積大功率呢？
先來了解一下手機充電的基本過程：
1.電壓220v、頻率50hz的市電轉(zhuǎn)換成適合于手機充電用的低壓直流電，比如5V/13.4A，最新20V/12A，得到67W、100W的充電功率。
2.通過數(shù)據(jù)線將轉(zhuǎn)換后的低壓直流電輸入到手機。5V/13.4A或者20V/12A是充電頭轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)線傳輸?shù)墓β?，不是手機電池的電壓，因此還需要進行一次電壓電流的轉(zhuǎn)換，目前主流的是電荷泵方案。
3.經(jīng)過電荷泵方案后手機電池開始充電。
電流從充電器到數(shù)據(jù)線再到電荷泵系統(tǒng)，最后到達電池。在這個過程中，充電器最重要的作用是進行電壓電流的轉(zhuǎn)換。一般而言，充電功率越大，充電頭或者適配器的體積就會越大，比如，從手機到筆記本再到電動自行車，適配器體積顯著增大。
那GaN功率器件在如此高的輸出功率下是如何做到這么小的體積的呢？GaN作為一種寬禁帶材料，具備禁帶寬度大、擊穿電場高、飽、電子漂移速度快和導通電阻低等特點，能夠在高溫、高壓、高效、高頻、高功率等特定需求環(huán)境下運行。
GaN材料的這些特性剛好跟手機充電器小體積大功率的需求相匹配。首先，GaN耐高溫，GaN功率器件可以承受較高的溫度，意味著快充在更小的體積小能夠承受更高的溫度。其次，GaN導通電阻低，導通的時候能量損耗會比較低，也就是GaN功率器件電路發(fā)熱量少，同樣意味著快充體積能夠更加緊湊。最后，GaN頻率高，能夠產(chǎn)生高頻交流電，采用GaN功率器件就可以顯著提高充電頻率，從而減小變壓器的體積，變壓器是充電器當中體積最大的元器件之一。（充電器變壓器在變壓的時候本質(zhì)上是利用了電磁感應(yīng)原理，兩組線圈，要輸出的電動勢跟電流頻率和線圈的匝數(shù)是正比的，要提高輸出電壓在頻率遇到瓶頸的情況下，線圈的匝數(shù)就需要增加，然后變壓器的體積就會變大，這也是很多高功率的充電器體積較大的最核心原因）。?
跟傳統(tǒng)功率器件相比，GaN對整個電路體積的壓縮、頻率提高以及它本身低開關(guān)損耗的優(yōu)勢都是Si管無法替代的?！?/p>
03 熱度持續(xù)不減?2022卻價量齊降
2022年，各大品牌廠商在其產(chǎn)品發(fā)布會爭先恐后推出過百瓦的快充，不斷刷新消費者對手機充電速度的認知。一方面市場好不熱鬧，GaN快充熱度持續(xù)不減；另一方面，市場發(fā)展卻不及預(yù)期。
據(jù)CASA Research調(diào)研，以手機快充為主要市場的GaN主要廠商業(yè)績均未達到2022年初設(shè)定目標。一是消費電子設(shè)備需求低迷，2022年全球智能手機、個人PC、平板電腦出貨量都出現(xiàn)下滑。另一方面，第三代半導體器件價格發(fā)生分化。PD快充領(lǐng)域，由于需求下滑，加之眾多競爭者加入，導致2022年GaN功率電子產(chǎn)品價格下降了10%-30%不等。綜合預(yù)計，GaN PD快充市場將較去年下降5%-10%。
04
需求有待釋放
未來值得追逐
2022年，有關(guān)“消費者真實使用的快充功率”網(wǎng)絡(luò)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：參與統(tǒng)計的用戶有超過50%仍使用50W以下的快充。今年3月份，小米工程師王彥騰在接受采訪時表示，目前快充產(chǎn)品已在所有產(chǎn)品中占比提升至30%-40%，其中大部分高功率快充設(shè)備均采用GaN充電器。GaN 快充當前主要定位在旗艦機型，整體市場量并不是很大，隨著快充下沉到更多大眾機型，GaN快充有望進一步起量。盡管GaN領(lǐng)域的玩家不斷增加，GaN功率器件在手機快充領(lǐng)域的應(yīng)用似乎已進入紅海，競爭不斷加劇，但同時也意味著技術(shù)、市場市場成熟度越來越高，成本有望進一步下降。對于GaN功率器件而言，GaN快充應(yīng)用只是拉開了GaN功率器件應(yīng)用的序幕，GaN功率器件市場的發(fā)展仍處于初期。Yole數(shù)據(jù)指出，2021年到2027年期間，GaN功率器件市場CAGR達52%，整體市場規(guī)模達到20億美元，其中消費類市場規(guī)模超過9.156億美元。GaN功率器件在儲能、數(shù)據(jù)中心、通訊基站、家用微型逆變器以及新能源汽車等領(lǐng)域滲透率還很低，有著更廣闊的發(fā)展前景，未來值得我們追逐。
05 國內(nèi)外GaN產(chǎn)業(yè)鏈典型企業(yè)
目前，國際上GaN襯底生產(chǎn)以日本Sumitomo Electric和Mitsubishi Chemical等企業(yè)為主，外延企業(yè)主要包括日本Sumitomo、比利時EpiGaN、英國IQE等；GaN功率器件生產(chǎn)企業(yè)主要包括Transphorm、EPC、GaN Systems、Navitas等企業(yè)。
國內(nèi)也有數(shù)十家GaN材料和功率器件生產(chǎn)企業(yè)，從上游Si襯底、GaN外延材料的制備，中游器件設(shè)計、制造、封測到下游的應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。國內(nèi)GaN襯底的領(lǐng)軍企業(yè)主要是蘇州納維和中鎵半導體；功率電子用GaN外延材料生產(chǎn)企業(yè)主要有晶湛半導體、蘇州漢驊、能華微電子等；GaN功率器件和射頻器件的企業(yè)主要以IDM模式為主，功率電子IDM代表企業(yè)有英諾賽科、潤新微、能華微電子，聚能創(chuàng)芯等。
