氮化鎵充電器黑科技與未來(lái)發(fā)展預(yù)測(cè)

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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(guó)防、快充、汽車電子、消費(fèi)電子等應(yīng)用推動(dòng)，2025年全球GaN快充市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)600多億元。”

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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(lái)越大，充電器的功率和體積也隨之增大，對(duì)于大功率的快充充電器而言，使用傳統(tǒng)的功率器件無(wú)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(shì)。

2018年10月25日，安克創(chuàng)新在美國(guó)紐約發(fā)布了一款劃時(shí)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(lái)，充電領(lǐng)域廠商都瞄準(zhǔn)了GaN市場(chǎng)大力開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。歐珀于2019年首次推出OPPO Reno Ace標(biāo)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(biāo)配65W功率的USB-C充電器，同時(shí)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(guó)行版線上發(fā)布會(huì)，帶來(lái)了GaN（氮化鎵）雙口超級(jí)快充充電器，最大充電功率為65W，能給手機(jī)、平板和PC充電。國(guó)內(nèi)氮化鎵充電器領(lǐng)域的重點(diǎn)企業(yè)包括倍思、安克創(chuàng)新、綠色聯(lián)盟技術(shù)（簡(jiǎn)稱綠聯(lián)）等，而包括小米、華為、努比亞等手機(jī)廠商也開(kāi)始入局氮化鎵充電器市場(chǎng)，氮化鎵充電器市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入百花齊放的時(shí)代[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年以來(lái)，市面上所推出的氮化鎵充電產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)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(jī)，氮化鎵快充甚至成為各大手機(jī)廠商主打的賣點(diǎn)。連蘋(píng)果都不得不跟風(fēng)在2021年推出首款140W的氮化鎵充電器，但是因?yàn)槭蹆r(jià)729元的限制，相比于其他友商如安克創(chuàng)新、小米等并沒(méi)有多大優(yōu)勢(shì)。

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(guó)防、快充、汽車電子、消費(fèi)電子等應(yīng)用推動(dòng)，2025年全球GaN快充市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)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(qiáng)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(dòng)通信，被譽(yù)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(fèi)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(xiàng)。

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(shì)，大大提升了用戶的使用體驗(yàn)。以小米充電器USB-C 65W為例，其體積比小米筆記本標(biāo)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(kù)中對(duì)氮化鎵充電器相關(guān)專利進(jìn)行檢索，對(duì)檢索得到的專利功效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖2。由圖2可知，當(dāng)前氮化鎵充電器專利主要圍繞以下功效方向進(jìn)行改進(jìn)：快速、安全、便利、高效率、低損耗、小體積、簡(jiǎn)化工藝等。

圖2 氮化鎵充電器專利功效統(tǒng)計(jì)

我們通過(guò)對(duì)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(jìn)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(shí)，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(xiàng)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(qiáng)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(lái)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(duì)充電器整體結(jié)構(gòu)、控制等技術(shù)進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)。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(guò)結(jié)合傳統(tǒng)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與諧振開(kāi)關(guān)電源的高性能，搭配使用半橋氮化鎵器件，實(shí)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(diǎn)，是一種新型的非對(duì)稱半橋混合型反激拓?fù)洹?/p>

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(shí)還要滿足散熱等其他要求。參見(jiàn)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(guò)對(duì)輸入電路、輸出電路、儲(chǔ)能電路以及控制電路的合理布局，進(jìn)一步減小輸入電容的體積以及產(chǎn)品的體積，同時(shí)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(shí)功率分配技術(shù)和功率控制技術(shù)。全時(shí)功率分配技術(shù)相關(guān)專利號(hào)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(guò)監(jiān)控每個(gè)接入設(shè)備的請(qǐng)求，并分配恰當(dāng)?shù)某潆姽β嗜M足每個(gè)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(gè)輸出接口自動(dòng)分配恰當(dāng)?shù)某潆姽β实男枨?。功率控制技術(shù)參見(jiàn)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(guò)I2C總線采集該快速充電協(xié)議芯片獲取的實(shí)時(shí)充電需求，并根據(jù)該實(shí)時(shí)充電需求計(jì)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(duì)電源電壓進(jìn)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(shí)時(shí)充電需求的變化而連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流、電壓的實(shí)時(shí)地、精準(zhǔn)地控制。

AI智能控溫技術(shù)：AI智能控溫技術(shù)2.0升級(jí)了溫度檢測(cè)頻率，每天可以監(jiān)控300萬(wàn)次充電器溫度，將安全性提升到了一個(gè)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(guò)采樣控制電路對(duì)各第一電能轉(zhuǎn)換電路輸出的電流進(jìn)行采樣，當(dāng)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(guò)第一閾值時(shí)，調(diào)整對(duì)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(guò)第一閾值。通過(guò)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(guò)數(shù)字技術(shù)可以對(duì)插線板的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生過(guò)載、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路等故障時(shí)，能夠提前預(yù)警并及時(shí)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(guò)充保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)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(guò)過(guò)壓保護(hù)模塊實(shí)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(wú)需使用電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的升降壓轉(zhuǎn)換電路，無(wú)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(shí)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(guò)主控模塊控制主電路隔離模塊，實(shí)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(shí)利用弱電對(duì)負(fù)載進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，極大降低了因人體接觸插座而觸電的風(fēng)險(xiǎn)。

三、氮化鎵充電器未來(lái)發(fā)展方向

氮化鎵充電器下一步將向哪個(gè)方向發(fā)展？新能源汽車和汽車電子無(wú)疑是氮化鎵的藍(lán)海市場(chǎng)。隨著新能源汽車崛起和各類相關(guān)技術(shù)不斷迭代升級(jí)，自動(dòng)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(jī)）、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?yán)m(xù)航里程。

圖6 氮化鎵汽車應(yīng)用[4]

據(jù)預(yù)測(cè)，在電動(dòng)汽車中，可以應(yīng)用于氮化鎵零部件的潛在市場(chǎng)機(jī)會(huì)將超過(guò)250美元。到2025年，電動(dòng)汽車中氮化鎵功率芯片的市場(chǎng)機(jī)會(huì)總值預(yù)計(jì)每年將超過(guò)25億美元[5]。

2019年，豐田先進(jìn)電力電子研究部對(duì)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(tuán)已經(jīng)聯(lián)手日本名古屋大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了全球第一款“全氮化鎵汽車”，并與德國(guó)寶馬集團(tuán)開(kāi)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(shí)驗(yàn)到投產(chǎn)的腳步近了[6]。

芯片企業(yè)率先開(kāi)展在電動(dòng)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(guó)寶馬集團(tuán)已就確保氮化鎵(GaN)晶體管產(chǎn)能達(dá)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(duì)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(fèi)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(dòng)電機(jī)、太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車及其充電設(shè)施。納微半導(dǎo)體宣布開(kāi)設(shè)新的電動(dòng)汽車 (EV) 設(shè)計(jì)中心，進(jìn)一步擴(kuò)展到更高功率的氮化鎵市場(chǎng)，納微半導(dǎo)體為電動(dòng)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(dòng)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(shì)包括，能量雙向流動(dòng)、效率高于Si /SiC MOSFET方案以及成本低于SiC MOSFET方案。

與此同時(shí)，充電器企業(yè)也在跟進(jìn)車載充電系統(tǒng)的布局。華為提出CN115027297A（華為，2022年，車載充電機(jī)、車載動(dòng)力系統(tǒng)及電動(dòng)車輛），車載充電機(jī)可兼容對(duì)動(dòng)力電池供電的功能和對(duì)交流負(fù)載供電的功能，結(jié)構(gòu)布局更加簡(jiǎn)單且集成度高，供電靈活性強(qiáng)、適用性強(qiáng)。華為在另一項(xiàng)專利CN114070074B（華為，2020年，雙管反激轉(zhuǎn)換電路、電源模塊、電動(dòng)汽車及控制方法）中提出一種雙管反激轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)增設(shè)輔助電路，有利于原邊繞組兩端的開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，進(jìn)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(chǔ)能電源）將適配器電路內(nèi)置于儲(chǔ)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(jìn)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(dá)160W的QC5認(rèn)證車載充電器，可以滿足筆記本電腦、平板電腦以及手機(jī)在車上充電的需求。

四、結(jié)束語(yǔ)

從手機(jī)、筆記本充電器到戶外移動(dòng)電源、數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)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(chǎng)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(jiàn)，面對(duì)這一巨大的市場(chǎng)，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(jìng)爭(zhēng)也會(huì)越來(lái)越激烈。未來(lái)氮化鎵充電領(lǐng)域，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)將重點(diǎn)圍繞低損耗、高穩(wěn)定性、高功率密度、低成本展開(kāi)。當(dāng)前無(wú)論從產(chǎn)品銷量和技術(shù)上，中國(guó)企業(yè)都具備了和國(guó)際同行競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，期待中國(guó)企業(yè)能一直走在最前沿。

參考文獻(xiàn)：

[1]氮化鎵快充市場(chǎng)增長(zhǎng)迅猛 倍思以多元化產(chǎn)品開(kāi)啟新戰(zhàn)場(chǎng). https://baijiahao.baidu.com/s?id=1750441033962322519&wfr=spider&for=pc
[2]“性價(jià)比十足！Anker發(fā)布7款氮化鎵新品，更實(shí)用更安全的充電器來(lái)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(jì) 推動(dòng)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(tuán)隊(duì)找準(zhǔn)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(jìn)展如何?.中國(guó)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(fēng)云, 2022(18):40-41
[7]手機(jī)快充到電動(dòng)汽車，氮化鎵功率半導(dǎo)體潛力無(wú)限. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1727894320026740199&wfr=spider&for=pc

（原標(biāo)題：氮化鎵充電器黑科技與未來(lái)發(fā)展預(yù)測(cè)）

來(lái)源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）

作者：朱濤

編輯：IPRdaily趙甄          校對(duì)：IPRdaily縱橫君

注：原文鏈接：氮化鎵充電器黑科技與未來(lái)發(fā)展預(yù)測(cè)（點(diǎn)擊標(biāo)題查看原文）

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