快速充电是电池供电设备的“救星”

从去年年底到现在，手机快速充电这个话题又火热起来了，而且热度不减。这不由得让我们想起前几年手机圈儿掀起的第一波“快充”热潮，彼时众多手机厂商都将快充作为一个新卖点，“充电n分钟，通话n小时”的广告语不绝于耳，各种快充标准也是纷纷登场，意欲在市场上一决雌雄。 而发端于去年的这第二波“快充”热潮，这其中是真有市场需求，还是仅仅“虚火”一场呢？让我们走到幕后看看究竟发生了什么，也许能明白一二。

快速充电是电池供电设备的“救星”普华永道的市场调研及分析数据表明，中国有86%的人口正在使用移动支付。在中国的许多城市，即使是小摊贩也可以使用手机进行交易，越来越多的中国人出门不再携带现金和信用卡。据统计，移动支付可使消费频次增长23%以上，在拉动内需上功不可没。可以说，通过智能手机、可穿戴设备和非接触式现金卡来代替现金和传统信用卡的移动支付方式，彻底改变了我们现有的支付方式。如果算上刷码乘车、新冠肺炎疫情期间出示手机健康码等应用，智能手机等移动设备已经成为人们生活的必需品。根据工信部的数据，截至2019年11月底，我国移动电话用户总数达到16亿。

图1：中国有86%的人口正在使用移动支付

（资料来源：Global Consumer Insights Survey 2019） 在如此高的手机普及率下，想必很多消费者都有这样痛苦的经历：刷码付款的关键时刻，手机没电了。而移动支付，仅仅是随着普及率的攀升，人们对手机“依赖”程度日趋增加的一个缩影。智能手机越是深度地融入我们的生活，“永远在线”也就越发成为消费者对其的最大期望。这样的要求，也在延伸到其他和手机密切关联的便携式联网设备，比如可穿戴设备。 对于经常出差或旅行的旅客来说，由于每个便携式电子设备的充电方式相互不兼容，他们必须携带各种充电器或适配器，不仅要不厌其烦地记住这些适配器分别适用于哪个设备，在等待登机或乘坐火车时给手机、笔记本电脑和耳机充电时，几个小时的充电时间也是让人难以忍受的。

现在，快充已经不仅仅是一项技术，它正在成为我们生活中的刚需，直接影响了人们的生活质量。

新一代的“快充”充电器配有大屏幕、大电池的智能手机、平板电脑和笔记本电脑等电子设备的保有量持续攀升的的现状，极大地刺激并创造了价值数十亿美元的快速充电器市场。而对快速迭代的快充充电器来说，这两年一个最突出的变化，就是氮化镓（GaN）技术的应用。 据统计，自2018年以来，三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌，已经向市场提供了数百万个氮化镓（GaN）快速充电器。在亚马逊网站上，GaN充电器的种类多达近百种，功率从30W到100W不等，价格介于69.99美元和18.99美元之间。

去年9月份，有媒体对市售的多款USB PD氮化镓充电器进行了拆解评测，这些产品虽然性能指标有较大差异，但与上一代快充产品相比有一个趋势非常明显，即充电器的功率越做越大，而产品的体积越来越小。

为什么必须是GaN？GaN充电器市场之所以这么热，主要还是因为它不仅功率大、充电快，体积还小很多。这些优势大多源于GaN独有的物理特性。 GaN属于第三代宽禁带（WBG）半导体材料，拥有独特的高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特性。它的禁带宽度约为3.4eV，电子迁移率非常高，比硅（Si）快了近20倍，不仅能够满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等提出的最新需求，还可以降低50%以上的能量损失，最高可使设备的体积减小近75%。 目前市场上的GaN快充充电器主要采用650V GaN功率芯片（GaNFETs）作为电源开关，利用GaN的高频特性使终端快速充电产品体积更小、效率更高。 将GaN器件用于充电器中，不仅能提供足够的电量为笔记本电脑快速充电，还能为智能手机、平板电脑、耳机和VR耳机等其他各种移动设备快速并安全地充电。可以说，一个GaN充电器就能为你拥有的所有移动设备充电，不仅节省时间、重量减轻，更可以节省购买不同充电器的费用。

图2：小米GaN Type-C 65W充电器（图片来源：京东商城） 小米今年2月份推出的小米GaN Type-C 65W充电器，重量仅有82克，体积比小米笔记本标配的适配器减小约48%。在小米公司的宣传材料中可以看到，小米GaN Type-C 65W充电器只需45分钟就能为小米10 Pro充满电；为iPhone 11充电时，充电速度比5W原装充电器快了近50%。就是这样一款既小巧、充电速度又快的产品，在京东商城上的售价仅为139元。

说到这里大家可能都明白了，现在的“快充”市场之所以火热，除了市场需求的驱动，很大程度上也得益于GaN技术的发展。借助GaN独有的物理特性，能够让消费者以较低的成本就能得到一个能为手里所有便携式电子设备快速充电的产品。要说这一波“快充”市场热潮幕后的技术推手，一定是非GaN莫属了。

GaN技术商用的推手GaN市场目前主要由半导体行业的巨头主导，很多国际大公司早就看到了GaN的商业价值，他们投入了大量资金用于GaN器件的研发。 Cree属于较早投身GaN和SiC器件研发的企业，为此他们不惜放弃自己独领风骚很多年的LED照明业务。随着Panasonic（松下）、TI（德州仪器）、Navitas、Power Integrations等公司的加入，GaN市场的竞争越来越激烈，各个厂商推新的节奏也明显在加快。 英飞凌就宣称其是一家同时掌握Si、SiC和GaN等各种功率半导体技术的公司，它深厚的技术功底，可以紧随市场发展的脚步。 德州仪器最近也展示了其自主开发的对流冷却900V、5kW双向AC/DC平台，这是其GaN器件研发的最新成果，进一步扩展了GaN在汽车、并网存储和太阳能等领域的新应用。 Navitas的GaNFast电源IC一直在深耕充电头市场，据称市场上约有50余种使用了GaNFast的移动快充产品和平台。 Power Integrations在其新发布的InnoSwitch3器件中，用GaN开关晶体管替换了IC初级的常规高压硅晶体管，大幅降低电源系统能耗，无需使用散热片即可实现高达95%的效率及100W的输出功率。 松下利用其获得专利的X-GaN技术，在多个应用领域生产GaN基晶体管，包括效率高达99%的功率转换器和电机配置中晶体管的替代品。 这一波GaN快充市场热潮，也成为中国本土半导体公司关注的“新赛道”。在中国，大力发展集成电路产业已是“新基建”的重要内容。国内虽然进入第三代宽禁带半导体领域比较晚，但进步很快，已经涌现出一大批GaN器件IDM企业，比如苏州能讯、英诺赛科、江苏能华、海威华芯等。今年4月份，洛克（ROCK）公司发布了首款内置“中国芯片”的GaN快速充电器，引起业界高度关注。这款“中国芯片”来自于英诺赛科的“InnoGaN”系列电源芯片，标志着国产GaN器件正式应用于消费类电力产品中。

图3：洛克公司推出的首款内置“中国芯片”的GaN快速充电器（图片来源：充电头网）

节能是一个永恒的话题，全球各地正在积极推出各种应对措施，而迈向节能世界的一个关键步骤就是新材料的应用。在快速充电的热潮中，GaN材料通过更高的功率密度实现了更小、更轻的设计。随着整体系统成本的降低，以GaN为代表的第三代宽禁带半导体将开创电力电子的一个新纪元。