材料深一度|手机快充进入个位数时代 GaN功不可没

发表于:2023-04-17 来源:半导体产业网 编辑:

 240W刷新手机快充最高功率密度

2月9日,realme GT Neo5发布,同时量产首发搭载240W闪充技术。该充电器尺寸仅57 x 58 x 30 mm (99 cc),重量为173g,功率密度达到了业界领先的2.42 W/cc。使用该充电器为GT3的4600mAh电池充电30秒,仅需4分钟左右就能充至50%,完全充电可在9分30秒内完成。

300W即将刷新手机快充最短时间

2月28日,雷军公众号公开了一款名为“300瓦神仙秒充”的GaN充电器,5分钟充满100%电,刷新手机快充记录。据悉,该快充基于Redmi Note 12探索版魔改而来,实现了300瓦超大功率。在功率大涨43%的情况下,其体积与小米上一代210瓦充电器完全相同,功率密度达到2.31W/cm³。

30W到300W 手机快充进入个位数时代

2018~2019年,市场上普遍的快充功率还在20~30 W左右,且体积较大。2018年10月,ANKER在纽约发布了全球首款USB PD GaN充电器PowerPort Atom PD1,30W的功率不到55cc的体积,几乎吊打当时市场上普遍的快充,GaN技术正式亮相手机快充消费市场。

2019年8月,倍思发布65 W 2C+A GaN充电器,一个月后,OPPO发布65 W SuperVOOC 2.0快充,功率密度首次超过1W/cc。自此,GaN快充一发不可收拾,各类品牌的GaN快充加速涌入市场。

2020~2022年,品牌厂商密集性发布快充技术,65W、120W、210W让人眼花缭乱。进入2023Q1,realme 240W更是量产发售,红米300W 亦是呼之欲出。

从2018年10月GaN手机快充正式亮相到2023Q1 realme 240W量产发售,GaN快充在体积增长不到1倍的基础上,当前输出功率整整是原来的8倍,功率密度是原来的4倍有余。直观的看,GaN快充即将将手机充电时间缩短到5分钟,令人瞠目结舌!

小体积大功率 GaN功率器件功不可没

GaN快充技术的飞速发展背后的核心是GaN功率器件的强力支撑。那为什么GaN功率器件能够实现快充的小体积大功率呢?

先来了解一下手机充电的基本过程:

1.电压220v、频率50hz的市电转换成适合于手机充电用的低压直流电,比如5V/13.4A,最新20V/12A,得到67W、100W的充电功率。

2.通过数据线将转换后的低压直流电输入到手机。5V/13.4A或者20V/12A是充电头转换后数据线传输的功率,不是手机电池的电压,因此还需要进行一次电压电流的转换,目前主流的是电荷泵方案。

3.经过电荷泵方案后手机电池开始充电。

电流从充电器到数据线再到电荷泵系统,最后到达电池。在这个过程中,充电器最重要的作用是进行电压电流的转换。一般而言,充电功率越大,充电头或者适配器的体积就会越大,比如,从手机到笔记本再到电动自行车,适配器体积显著增大。

充电器体积增大的原因有两个:

一是为了散热,功率越大发热越多,需要更大的空间散热;

二是为了跟充电器内部元器件的体积相匹配,尤其是变压器的体积,变压器越大充电器就需要做的越大。

那GaN功率器件在如此高的输出功率下是如何做到这么小的体积的呢?GaN作为一种宽禁带材料,具备禁带宽度大、击穿电场高、饱、电子漂移速度快和导通电阻低等特点,能够在高温、高压、高效、高频、高功率等特定需求环境下运行。

GaN材料的这些特性刚好跟手机充电器小体积大功率的需求相匹配。

首先,GaN耐高温,GaN功率器件可以承受较高的温度,意味着快充在更小的体积小能够承受更高的温度。

其次,GaN导通电阻低,导通的时候能量损耗会比较低,也就是GaN功率器件电路发热量少,同样意味着快充体积能够更加紧凑。

最后,GaN频率高,能够产生高频交流电,采用GaN功率器件就可以显著提高充电频率,从而减小变压器的体积,变压器是充电器当中体积最大的元器件之一。

(充电器变压器在变压的时候本质上是利用了电磁感应原理,两组线圈,要输出的电动势跟电流频率和线圈的匝数是正比的,要提高输出电压在频率遇到瓶颈的情况下,线圈的匝数就需要增加,然后变压器的体积就会变大,这也是很多高功率的充电器体积较大的最核心原因)。 

跟传统功率器件相比,GaN对整个电路体积的压缩、频率提高以及它本身低开关损耗的优势都是Si管无法替代的。 

热度持续不减 2022却价量齐降

2022年,各大品牌厂商在其产品发布会争先恐后推出过百瓦的快充,不断刷新消费者对手机充电速度的认知。一方面市场好不热闹,GaN快充热度持续不减;另一方面,市场发展却不及预期。

据CASA Research调研,以手机快充为主要市场的GaN主要厂商业绩均未达到2022年初设定目标。一是消费电子设备需求低迷,2022年全球智能手机、个人PC、平板电脑出货量都出现下滑。另一方面,第三代半导体器件价格发生分化。PD快充领域,由于需求下滑,加之众多竞争者加入,导致2022年GaN功率电子产品价格下降了10%-30%不等。综合预计,GaN PD快充市场将较去年下降5%-10%。

需求有待释放 未来值得追逐

2022年,有关“消费者真实使用的快充功率”网络调查数据显示:参与统计的用户有超过50%仍使用50W以下的快充。今年3月份,小米工程师王彦腾在接受采访时表示,目前快充产品已在所有产品中占比提升至30%-40%,其中大部分高功率快充设备均采用GaN充电器。GaN 快充当前主要定位在旗舰机型,整体市场量并不是很大,随着快充下沉到更多大众机型,GaN快充有望进一步起量。

尽管GaN领域的玩家不断增加,GaN功率器件在手机快充领域的应用似乎已进入红海,竞争不断加剧,但同时也意味着技术、市场市场成熟度越来越高,成本有望进一步下降。

对于GaN功率器件而言,GaN快充应用只是拉开了GaN功率器件应用的序幕,GaN功率器件市场的发展仍处于初期。Yole数据指出,2021年到2027年期间,GaN功率器件市场CAGR达52%,整体市场规模达到20亿美元,其中消费类市场规模超过9.156亿美元。GaN功率器件在储能、数据中心、通讯基站、家用微型逆变器以及新能源汽车等领域渗透率还很低,有着更广阔的发展前景,未来值得我们追逐。

国内外GaN产业链典型企业

目前,国际上GaN衬底生产以日本Sumitomo Electric和Mitsubishi Chemical等企业为主,外延企业主要包括日本Sumitomo、比利时EpiGaN、英国IQE等;GaN功率器件生产企业主要包括Transphorm、EPC、GaN Systems、Navitas等企业。

国内也有数十家GaN材料和功率器件生产企业,从上游Si衬底、GaN外延材料的制备,中游器件设计、制造、封测到下游的应用,产业链基本形成。国内GaN衬底的领军企业主要是苏州纳维和中镓半导体;功率电子用GaN外延材料生产企业主要有晶湛半导体、苏州汉骅、能华微电子等;GaN功率器件和射频器件的企业主要以IDM模式为主,功率电子IDM代表企业有英诺赛科、润新微、能华微电子,聚能创芯等。