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“數(shù)據(jù)顯示,受益于電信基礎(chǔ)設(shè)施5G宏基站建設(shè)、國防、快充、汽車電子、消費電子等應(yīng)用推動,2025年全球GaN快充市場規(guī)模有望達600多億元。”
來源:IPRdaily中文網(wǎng)(iprdaily.cn)
作者:朱濤
一、氮化鎵充電器方興未艾
電子產(chǎn)品的屏幕越來越大,充電器的功率和體積也隨之增大,對于大功率的快充充電器而言,使用傳統(tǒng)的功率器件無法改變體積龐大的現(xiàn)狀。與普通半導(dǎo)體的硅材料相比,氮化鎵的帶隙更寬且導(dǎo)熱好,能夠匹配體積更小的變壓器和大功率電感,所以氮化鎵充電器有體積小、效率高、更安全等優(yōu)勢。
2018年10月25日,安克創(chuàng)新在美國紐約發(fā)布了一款劃時代的新品 ——“ANKER PowerPort Atom PD1”GaN充電器,這款充電器正是由于其搭載了高頻高效的GaN(氮化鎵)功率器件而備受業(yè)界關(guān)注。自2018年以來,充電領(lǐng)域廠商都瞄準了GaN市場大力開發(fā)產(chǎn)品。歐珀于2019年首次推出OPPO Reno Ace標配氮化鎵快充充電器,2020年的CES上,更有超60款氮化鎵產(chǎn)品相繼推出。2020年小米發(fā)布小米10 Pro,標配65W功率的USB-C充電器,同時小米還發(fā)布了旗下第一款采用氮化鎵材料的充電器,官方名稱“小米GaN充電器Type-C 65W”,功率同樣是65W,但更加小巧。2020年4月,華為舉行P40系列國行版線上發(fā)布會,帶來了GaN(氮化鎵)雙口超級快充充電器,最大充電功率為65W,能給手機、平板和PC充電。國內(nèi)氮化鎵充電器領(lǐng)域的重點企業(yè)包括倍思、安克創(chuàng)新、綠色聯(lián)盟技術(shù)(簡稱綠聯(lián))等,而包括小米、華為、努比亞等手機廠商也開始入局氮化鎵充電器市場,氮化鎵充電器市場已經(jīng)進入百花齊放的時代[1]。
據(jù)統(tǒng)計,2020年以來,市面上所推出的氮化鎵充電產(chǎn)品已經(jīng)達到上百款。特別是最近一年,65w、120w快充接連出現(xiàn),15分鐘即可充滿一部手機,氮化鎵快充甚至成為各大手機廠商主打的賣點。連蘋果都不得不跟風在2021年推出首款140W的氮化鎵充電器,但是因為售價729元的限制,相比于其他友商如安克創(chuàng)新、小米等并沒有多大優(yōu)勢。
有數(shù)據(jù)顯示,受益于電信基礎(chǔ)設(shè)施5G宏基站建設(shè)、國防、快充、汽車電子、消費電子等應(yīng)用推動,2025年全球GaN快充市場規(guī)模有望達600多億元。
二、氮化鎵充電器的黑科技
“GaN”中文名“氮化鎵”,是一種新型半導(dǎo)體材料,它具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性,可應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、半導(dǎo)體照明、新一代移動通信,被譽為第三代半導(dǎo)體材料。隨著技術(shù)突破成本得到控制,消費類電子等領(lǐng)域已成為目前氮化鎵應(yīng)用最多的領(lǐng)域,充電器便是其中一項。
采用了氮化鎵元件的充電器最直觀的感受就是體積小、重量輕,在發(fā)熱量、效率轉(zhuǎn)換上相比普通充電器也有更大的優(yōu)勢,大大提升了用戶的使用體驗。以小米充電器USB-C 65W為例,其體積比小米筆記本標配的適配器縮小了48%,攜帶更方便,搭配小米10 Pro可提供最高50W充電功率,45分鐘即可充入100%。
圖1 小米氮化鎵充電器
在INCOPAT數(shù)據(jù)庫中對氮化鎵充電器相關(guān)專利進行檢索,對檢索得到的專利功效進行統(tǒng)計,得到圖2。由圖2可知,當前氮化鎵充電器專利主要圍繞以下功效方向進行改進:快速、安全、便利、高效率、低損耗、小體積、簡化工藝等。
圖2 氮化鎵充電器專利功效統(tǒng)計
我們通過對氮化鎵充電器的領(lǐng)軍企業(yè)——安克創(chuàng)新和倍思的最新產(chǎn)品及專利技術(shù)進行分析,以揭示氮化鎵快充產(chǎn)品涉及的科技狠活。
圖3 安克創(chuàng)新GaNPrime全氮化鎵120W充電器
2022年7月26日,安克創(chuàng)新發(fā)布了——Anker GaNPrime全氮化鎵多口快充系統(tǒng)。同時,安克創(chuàng)新還聯(lián)合5家全球領(lǐng)先的芯片廠商,公布了4項最新的充電技術(shù)并發(fā)布7款年度旗艦新品[2]。其中,綜合性能最強勁的是Anker GaNPrime全氮化鎵120W充電器。Anker GaNPrime全氮化鎵多口快充系統(tǒng),以氮化鎵材料技術(shù)為全局核心,協(xié)同自主研發(fā)PowerIQ智能充電技術(shù)、AI智能控溫技術(shù)2.0和創(chuàng)新堆疊技術(shù),帶來氮化鎵充電產(chǎn)品的全面性能飛躍。
安克創(chuàng)新的技術(shù)創(chuàng)新方式包括兩種:一是對充電器整體結(jié)構(gòu)、控制等技術(shù)進行自主研發(fā);二是和上游芯片企業(yè)聯(lián)合從芯片集成方向進行改進。我們從專利角度分析一下安克創(chuàng)新GaNPrime的最新技術(shù):
氮化鎵技術(shù):安克創(chuàng)新聯(lián)合英飛凌,研發(fā)了HFB(Hybrid flyback)-混合反激架構(gòu),HFB 架構(gòu)通過結(jié)合傳統(tǒng)反激拓撲結(jié)構(gòu),與諧振開關(guān)電源的高性能,搭配使用半橋氮化鎵器件,實現(xiàn)了更高集成度與更高效率的電源解決方案。這種 HFB 混合反激架構(gòu),集合了反激和 LLC 的優(yōu)點,是一種新型的非對稱半橋混合型反激拓撲。
圖 4 安克創(chuàng)新GaNPrime最新技術(shù)
堆疊技術(shù):該技術(shù)最直觀的好處就是讓充電器的體積減小,但同時還要滿足散熱等其他要求。參見專利CN112491124A(安克創(chuàng)新,2020年,一種關(guān)于充電器減小體積和提高效率的電路和方法),該技術(shù)通過對輸入電路、輸出電路、儲能電路以及控制電路的合理布局,進一步減小輸入電容的體積以及產(chǎn)品的體積,同時不用犧牲輸入電容的電容量,并保證輸出功率的大小。
智能充電技術(shù):在智能充電控制方面,安克創(chuàng)新提出全時功率分配技術(shù)和功率控制技術(shù)。全時功率分配技術(shù)相關(guān)專利號為CN112671055A(安克創(chuàng)新,2020年,一種功率分配方法和充電設(shè)備),通過監(jiān)控每個接入設(shè)備的請求,并分配恰當?shù)某潆姽β嗜M足每個接入設(shè)備的需求,既支持每一輸出接口的最大功率輸出,也支持多個輸出接口自動分配恰當?shù)某潆姽β实男枨?。功率控制技術(shù)參見專利CN108347081B(安克創(chuàng)新,2018年,功率控制電路及其充電裝置),微控制器通過I2C總線采集該快速充電協(xié)議芯片獲取的實時充電需求,并根據(jù)該實時充電需求計算傳輸給該同步升降壓芯片的控制數(shù)據(jù);該同步升降壓芯片根據(jù)該控制數(shù)據(jù)對電源電壓進行升壓或降壓處理,使得輸出給該待充電設(shè)備的充電電壓隨著該實時充電需求的變化而連續(xù)變化,實現(xiàn)對充電電流、電壓的實時地、精準地控制。
AI智能控溫技術(shù):AI智能控溫技術(shù)2.0升級了溫度檢測頻率,每天可以監(jiān)控300萬次充電器溫度,將安全性提升到了一個新的高度。該技術(shù)可以參考專利CN111030214A(安克創(chuàng)新,2019年,充電裝置及其充電電流控制方法)。充電電流控制方法通過采樣控制電路對各第一電能轉(zhuǎn)換電路輸出的電流進行采樣,當存在不同的第一電能轉(zhuǎn)換電路所輸出電流的大小相差超過第一閾值時,調(diào)整對應(yīng)的第一電能轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓,從而將不同的第一電能轉(zhuǎn)換電路所輸出電流的大小的差值調(diào)整至不超過第一閾值。通過上述方式,能夠減小不同第一電能轉(zhuǎn)換電路的產(chǎn)熱差異。
倍思在2022年發(fā)布了靈傲系列數(shù)字式快充插線板 30W[3]。該快充插線板通過數(shù)字技術(shù)可以對插線板的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測,當發(fā)生過載、過壓、欠壓、過流、短路等故障時,能夠提前預(yù)警并及時切斷電源,確保插線板的安全。
圖5 倍思30W快充插線板
倍思最關(guān)注產(chǎn)品的安全性,例如過充保護、過壓保護、過流保護、短路保護等。其專利CN115001102A(倍思,2022年,供電控制電路、供電系統(tǒng)和供電方法)提出供電控制電路,通過過壓保護模塊實現(xiàn)了將多種數(shù)值中滿足條件(小于或等于預(yù)設(shè)值)的輸入供電電壓輸出,無需使用電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的升降壓轉(zhuǎn)換電路,無需結(jié)合軟件設(shè)備,降低了電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。專利CN114498870A(倍思,2022年,充電器)提出一種充電器輸出功率控制方法,充電器包括用于接入交流電源的交流電源接入端、輸出第一直流電源的電池模塊、第一充電電源輸出電路、第二充電電源輸出電路以及主控單元。主控單元用于獲取并根據(jù)電池模塊的工作溫度和電池電量調(diào)節(jié)第一和第二充電電源輸出電路的功率檔位,實現(xiàn)了第一充電電源輸出電路和第二充電電源輸出電路的最佳輸出功率。專利CN112436345A(倍思,2020年,一種防觸電插座及其控制方法)通過主控模塊控制主電路隔離模塊,實現(xiàn)智能、安全地控制插座內(nèi)部電路,解決了現(xiàn)有插座的安全隱患,同時利用弱電對負載進行檢測和識別,極大降低了因人體接觸插座而觸電的風險。
三、氮化鎵充電器未來發(fā)展方向
氮化鎵充電器下一步將向哪個方向發(fā)展?新能源汽車和汽車電子無疑是氮化鎵的藍海市場。隨著新能源汽車崛起和各類相關(guān)技術(shù)不斷迭代升級,自動駕駛正使處理器供電需求不斷增大,利用氮化鎵可以將汽車的 OBC(車載充電機)、DC-DC(直流轉(zhuǎn)換器) 做得更小更輕,從而有空間放入更多的鋰電池,提升整車續(xù)航里程。
圖6 氮化鎵汽車應(yīng)用[4]
據(jù)預(yù)測,在電動汽車中,可以應(yīng)用于氮化鎵零部件的潛在市場機會將超過250美元。到2025年,電動汽車中氮化鎵功率芯片的市場機會總值預(yù)計每年將超過25億美元[5]。
2019年,豐田先進電力電子研究部對外展示了全氮化鎵汽車“All GaN for Future”概念,甚至在車載逆變器中也采用了GaN器件。日本豐田汽車集團已經(jīng)聯(lián)手日本名古屋大學合作開發(fā)了全球第一款“全氮化鎵汽車”,并與德國寶馬集團開展深度合作,拓展該款汽車的投產(chǎn)空間與性能優(yōu)化。這表明了全氮化鎵汽車從實驗到投產(chǎn)的腳步近了[6]。
芯片企業(yè)率先開展在電動汽車領(lǐng)域的氮化鎵充電技術(shù)研發(fā)。例如GaN Systems 2021年宣布與德國寶馬集團已就確保氮化鎵(GaN)晶體管產(chǎn)能達成協(xié)議,其產(chǎn)量預(yù)期能確保該車廠的供應(yīng)鏈穩(wěn)定,這一合作體現(xiàn)了車企對氮化鎵的重視[7]。意法半導(dǎo)體宣布推出氮化鎵功率半導(dǎo)體PowerGaN系列,應(yīng)用包括消費類電子產(chǎn)品的內(nèi)置電源,在功率更高的應(yīng)用中,意法半導(dǎo)體的PowerGaN器件也適用于電信電源、工業(yè)驅(qū)動電機、太陽能逆變器、電動汽車及其充電設(shè)施。納微半導(dǎo)體宣布開設(shè)新的電動汽車 (EV) 設(shè)計中心,進一步擴展到更高功率的氮化鎵市場,納微半導(dǎo)體為電動汽車應(yīng)用量身定制的高功率 650V GaN IC已于2021年12月向EV客戶提供樣品。英諾賽科也著手在電動汽車領(lǐng)域的氮化鎵充電系統(tǒng)布局,提出全氮化鎵車OBC解決方案,英諾賽科的核心優(yōu)勢包括,能量雙向流動、效率高于Si /SiC MOSFET方案以及成本低于SiC MOSFET方案。
與此同時,充電器企業(yè)也在跟進車載充電系統(tǒng)的布局。華為提出CN115027297A(華為,2022年,車載充電機、車載動力系統(tǒng)及電動車輛),車載充電機可兼容對動力電池供電的功能和對交流負載供電的功能,結(jié)構(gòu)布局更加簡單且集成度高,供電靈活性強、適用性強。華為在另一項專利CN114070074B(華為,2020年,雙管反激轉(zhuǎn)換電路、電源模塊、電動汽車及控制方法)中提出一種雙管反激轉(zhuǎn)換電路,通過增設(shè)輔助電路,有利于原邊繞組兩端的開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān),進而有利于降低雙管反激轉(zhuǎn)換器的損耗,提高雙管反激轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。綠聯(lián)提出CN217469524U(綠聯(lián),2022年,充電電路及儲能電源)將適配器電路內(nèi)置于儲能電源的內(nèi)部,可以省去DC-DC降壓充電管理模塊電路從而能夠進一步地減小電路的體積和成本。倍思推出了單口最高功率100W、總功率達160W的QC5認證車載充電器,可以滿足筆記本電腦、平板電腦以及手機在車上充電的需求。
四、結(jié)束語
從手機、筆記本充電器到戶外移動電源、數(shù)據(jù)中心儲能、車載充電/電能轉(zhuǎn)換設(shè)備,氮化鎵充電器具有非常高的市場規(guī)模和技術(shù)上升空間,代表了新一代充電技術(shù)發(fā)展方向。可以預(yù)見,面對這一巨大的市場,相關(guān)芯片企業(yè)、充電器企業(yè)、汽車電子企業(yè)之間的競爭也會越來越激烈。未來氮化鎵充電領(lǐng)域,產(chǎn)品競爭將重點圍繞低損耗、高穩(wěn)定性、高功率密度、低成本展開。當前無論從產(chǎn)品銷量和技術(shù)上,中國企業(yè)都具備了和國際同行競爭的實力,期待中國企業(yè)能一直走在最前沿。
參考文獻:
[1]氮化鎵快充市場增長迅猛 倍思以多元化產(chǎn)品開啟新戰(zhàn)場. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1750441033962322519&wfr=spider&for=pc
[2]“性價比十足!Anker發(fā)布7款氮化鎵新品,更實用更安全的充電器來了”https://baijiahao.baidu.com/s?id=1739475876096747691&wfr=spider&for=pc
[3]倍思快充插線板打破傳統(tǒng)設(shè)計 推動插線板行業(yè)變革.永州新聞網(wǎng):2023-01-11
[4] 率先入局第三代半導(dǎo)體,這支團隊找準了新能源車賽道.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752805643035253128&wfr=spider&for=pc
[5]氮化鎵在汽車中的應(yīng)用進展如何?.中國IC網(wǎng):2022-05-28
[6]莊家.快充黑科技:氮化鎵的深度應(yīng)用[J].檢察風云, 2022(18):40-41
[7]手機快充到電動汽車,氮化鎵功率半導(dǎo)體潛力無限. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1727894320026740199&wfr=spider&for=pc
(原標題:氮化鎵充電器黑科技與未來發(fā)展預(yù)測)
來源:IPRdaily中文網(wǎng)(iprdaily.cn)
作者:朱濤
編輯:IPRdaily趙甄 校對:IPRdaily縱橫君
注:原文鏈接:氮化鎵充電器黑科技與未來發(fā)展預(yù)測(點擊標題查看原文)
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