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氮化镓充电器黑科技与未来发展预测

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一、氮化镓充电器方兴未艾



电子产品的屏幕越来越大,充电器的功率和体积也随之增大,对于大功率的快充充电器而言,使用传统的功率器件无法改变体积庞大的现状。与普通半导体的硅材料相比,氮化镓的带隙更宽且导热好,能够匹配体积更小的变压器和大功率电感,所以氮化镓充电器有体积小、效率高、更安全等优势。


2018年10月25日,安克创新在美国纽约发布了一款划时代的新品 ——“ANKER PowerPort Atom PD1”GaN充电器,这款充电器正是由于其搭载了高频高效的GaN(氮化镓)功率器件而备受业界关注。自2018年以来,充电领域厂商都瞄准了GaN市场大力开发产品。欧珀于2019年首次推出OPPO Reno Ace标配氮化镓快充充电器,2020年的CES上,更有超60款氮化镓产品相继推出。2020年小米发布小米10 Pro,标配65W功率的USB-C充电器,同时小米还发布了旗下第一款采用氮化镓材料的充电器,官方名称“小米GaN充电器Type-C 65W”,功率同样是65W,但更加小巧。2020年4月,华为举行P40系列国行版线上发布会,带来了GaN(氮化镓)双口超级快充充电器,最大充电功率为65W,能给手机、平板和PC充电。国内氮化镓充电器领域的重点企业包括倍思、安克创新、绿色联盟技术(简称绿联)等,而包括小米、华为、努比亚等手机厂商也开始入局氮化镓充电器市场,氮化镓充电器市场已经进入百花齐放的时代[1]。


据统计,2020年以来,市面上所推出的氮化镓充电产品已经达到上百款。特别是最近一年,65w、120w快充接连出现,15分钟即可充满一部手机,氮化镓快充甚至成为各大手机厂商主打的卖点。连苹果都不得不跟风在2021年推出首款140W的氮化镓充电器,但是因为售价729元的限制,相比于其他友商如安克创新、小米等并没有多大优势。


有数据显示,受益于电信基础设施5G宏基站建设、国防、快充、汽车电子、消费电子等应用推动,2025年全球GaN快充市场规模有望达600多亿元。



二、氮化镓充电器的黑科技



“GaN”中文名“氮化镓”,是一种新型半导体材料,它具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性,可应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信,被誉为第三代半导体材料。随着技术突破成本得到控制,消费类电子等领域已成为目前氮化镓应用最多的领域,充电器便是其中一项。


采用了氮化镓元件的充电器最直观的感受就是体积小、重量轻,在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势,大大提升了用户的使用体验。以小米充电器USB-C 65W为例,其体积比小米笔记本标配的适配器缩小了48%,携带更方便,搭配小米10 Pro可提供最高50W充电功率,45分钟即可充入100%。


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图1 小米氮化镓充电器


在INCOPAT数据库中对氮化镓充电器相关专利进行检索,对检索得到的专利功效进行统计,得到图2。由图2可知,当前氮化镓充电器专利主要围绕以下功效方向进行改进:快速、安全、便利、高效率、低损耗、小体积、简化工艺等。


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图2 氮化镓充电器专利功效统计


我们通过对氮化镓充电器的领军企业——安克创新和倍思的最新产品及专利技术进行分析,以揭示氮化镓快充产品涉及的科技狠活。


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图3 安克创新GaNPrime全氮化镓120W充电器


2022年7月26日,安克创新发布了——Anker GaNPrime全氮化镓多口快充系统。同时,安克创新还联合5家全球领先的芯片厂商,公布了4项最新的充电技术并发布7款年度旗舰新品[2]。其中,综合性能最强劲的是Anker GaNPrime全氮化镓120W充电器。Anker GaNPrime全氮化镓多口快充系统,以氮化镓材料技术为全局核心,协同自主研发PowerIQ智能充电技术、AI智能控温技术2.0和创新堆叠技术,带来氮化镓充电产品的全面性能飞跃。


安克创新的技术创新方式包括两种:一是对充电器整体结构、控制等技术进行自主研发;二是和上游芯片企业联合从芯片集成方向进行改进。我们从专利角度分析一下安克创新GaNPrime的最新技术:


氮化镓技术:安克创新联合英飞凌,研发了HFB(Hybrid flyback)-混合反激架构,HFB 架构通过结合传统反激拓扑结构,与谐振开关电源的高性能,搭配使用半桥氮化镓器件,实现了更高集成度与更高效率的电源解决方案。这种 HFB 混合反激架构,集合了反激和 LLC 的优点,是一种新型的非对称半桥混合型反激拓扑。


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图 4 安克创新GaNPrime最新技术


堆叠技术:该技术最直观的好处就是让充电器的体积减小,但同时还要满足散热等其他要求。参见专利CN112491124A(安克创新,2020年,一种关于充电器减小体积和提高效率的电路和方法),该技术通过对输入电路、输出电路、储能电路以及控制电路的合理布局,进一步减小输入电容的体积以及产品的体积,同时不用牺牲输入电容的电容量,并保证输出功率的大小。


智能充电技术:在智能充电控制方面,安克创新提出全时功率分配技术和功率控制技术。全时功率分配技术相关专利号为CN112671055A(安克创新,2020年,一种功率分配方法和充电设备),通过监控每个接入设备的请求,并分配恰当的充电功率去满足每个接入设备的需求,既支持每一输出接口的最大功率输出,也支持多个输出接口自动分配恰当的充电功率的需求。功率控制技术参见专利CN108347081B(安克创新,2018年,功率控制电路及其充电装置),微控制器通过I2C总线采集该快速充电协议芯片获取的实时充电需求,并根据该实时充电需求计算传输给该同步升降压芯片的控制数据;该同步升降压芯片根据该控制数据对电源电压进行升压或降压处理,使得输出给该待充电设备的充电电压随着该实时充电需求的变化而连续变化,实现对充电电流、电压的实时地、精准地控制。


AI智能控温技术:AI智能控温技术2.0升级了温度检测频率,每天可以监控300万次充电器温度,将安全性提升到了一个新的高度。该技术可以参考专利CN111030214A(安克创新,2019年,充电装置及其充电电流控制方法)。充电电流控制方法通过采样控制电路对各第一电能转换电路输出的电流进行采样,当存在不同的第一电能转换电路所输出电流的大小相差超过第一阈值时,调整对应的第一电能转换电路输出的电压,从而将不同的第一电能转换电路所输出电流的大小的差值调整至不超过第一阈值。通过上述方式,能够减小不同第一电能转换电路的产热差异。


倍思在2022年发布了灵傲系列数字式快充插线板 30W[3]。该快充插线板通过数字技术可以对插线板的工作状态进行实时监测,当发生过载、过压、欠压、过流、短路等故障时,能够提前预警并及时切断电源,确保插线板的安全。


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图5 倍思30W快充插线板


倍思最关注产品的安全性,例如过充保护、过压保护、过流保护、短路保护等。其专利CN115001102A(倍思,2022年,供电控制电路、供电系统和供电方法)提出供电控制电路,通过过压保护模块实现了将多种数值中满足条件(小于或等于预设值)的输入供电电压输出,无需使用电路结构复杂的升降压转换电路,无需结合软件设备,降低了电路结构的复杂度。专利CN114498870A(倍思,2022年,充电器)提出一种充电器输出功率控制方法,充电器包括用于接入交流电源的交流电源接入端、输出第一直流电源的电池模块、第一充电电源输出电路、第二充电电源输出电路以及主控单元。主控单元用于获取并根据电池模块的工作温度和电池电量调节第一和第二充电电源输出电路的功率档位,实现了第一充电电源输出电路和第二充电电源输出电路的最佳输出功率。专利CN112436345A(倍思,2020年,一种防触电插座及其控制方法)通过主控模块控制主电路隔离模块,实现智能、安全地控制插座内部电路,解决了现有插座的安全隐患,同时利用弱电对负载进行检测和识别,极大降低了因人体接触插座而触电的风险。



三、氮化镓充电器未来发展方向



氮化镓充电器下一步将向哪个方向发展?新能源汽车和汽车电子无疑是氮化镓的蓝海市场。随着新能源汽车崛起和各类相关技术不断迭代升级,自动驾驶正使处理器供电需求不断增大,利用氮化镓可以将汽车的 OBC(车载充电机)、DC-DC(直流转换器) 做得更小更轻,从而有空间放入更多的锂电池,提升整车续航里程。


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图6 氮化镓汽车应用[4]


据预测,在电动汽车中,可以应用于氮化镓零部件的潜在市场机会将超过250美元。到2025年,电动汽车中氮化镓功率芯片的市场机会总值预计每年将超过25亿美元[5]。


2019年,丰田先进电力电子研究部对外展示了全氮化镓汽车“All GaN for Future”概念,甚至在车载逆变器中也采用了GaN器件。日本丰田汽车集团已经联手日本名古屋大学合作开发了全球第一款“全氮化镓汽车”,并与德国宝马集团开展深度合作,拓展该款汽车的投产空间与性能优化。这表明了全氮化镓汽车从实验到投产的脚步近了[6]。


芯片企业率先开展在电动汽车领域的氮化镓充电技术研发。例如GaN Systems 2021年宣布与德国宝马集团已就确保氮化镓(GaN)晶体管产能达成协议,其产量预期能确保该车厂的供应链稳定,这一合作体现了车企对氮化镓的重视[7]。意法半导体宣布推出氮化镓功率半导体PowerGaN系列,应用包括消费类电子产品的内置电源,在功率更高的应用中,意法半导体的PowerGaN器件也适用于电信电源、工业驱动电机、太阳能逆变器、电动汽车及其充电设施。纳微半导体宣布开设新的电动汽车 (EV) 设计中心,进一步扩展到更高功率的氮化镓市场,纳微半导体为电动汽车应用量身定制的高功率 650V GaN IC已于2021年12月向EV客户提供样品。英诺赛科也着手在电动汽车领域的氮化镓充电系统布局,提出全氮化镓车OBC解决方案,英诺赛科的核心优势包括,能量双向流动、效率高于Si /SiC MOSFET方案以及成本低于SiC MOSFET方案。


与此同时,充电器企业也在跟进车载充电系统的布局。华为提出CN115027297A(华为,2022年,车载充电机、车载动力系统及电动车辆),车载充电机可兼容对动力电池供电的功能和对交流负载供电的功能,结构布局更加简单且集成度高,供电灵活性强、适用性强。华为在另一项专利CN114070074B(华为,2020年,双管反激转换电路、电源模块、电动汽车及控制方法)中提出一种双管反激转换电路,通过增设辅助电路,有利于原边绕组两端的开关管实现软开关,进而有利于降低双管反激转换器的损耗,提高双管反激转换器的转换效率。绿联提出CN217469524U(绿联,2022年,充电电路及储能电源)将适配器电路内置于储能电源的内部,可以省去DC-DC降压充电管理模块电路从而能够进一步地减小电路的体积和成本。倍思推出了单口最高功率100W、总功率达160W的QC5认证车载充电器,可以满足笔记本电脑、平板电脑以及手机在车上充电的需求。



四、结束语



从手机、笔记本充电器到户外移动电源、数据中心储能、车载充电/电能转换设备,氮化镓充电器具有非常高的市场规模和技术上升空间,代表了新一代充电技术发展方向。可以预见,面对这一巨大的市场,相关芯片企业、充电器企业、汽车电子企业之间的竞争也会越来越激烈。未来氮化镓充电领域,产品竞争将重点围绕低损耗、高稳定性、高功率密度、低成本展开。当前无论从产品销量和技术上,中国企业都具备了和国际同行竞争的实力,期待中国企业能一直走在最前沿。


参考文献:

[1]氮化镓快充市场增长迅猛 倍思以多元化产品开启新战场. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1750441033962322519&wfr=spider&for=pc

[2]“性价比十足!Anker发布7款氮化镓新品,更实用更安全的充电器来了”https://baijiahao.baidu.com/s?id=1739475876096747691&wfr=spider&for=pc

[3]倍思快充插线板打破传统设计 推动插线板行业变革.永州新闻网:2023-01-11

[4] 率先入局第三代半导体,这支团队找准了新能源车赛道.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752805643035253128&wfr=spider&for=pc

[5]氮化镓在汽车中的应用进展如何?.中国IC网:2022-05-28

[6]庄家.快充黑科技:氮化镓的深度应用[J].检察风云, 2022(18):40-41

[7]手机快充到电动汽车,氮化镓功率半导体潜力无限. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1727894320026740199&wfr=spider&for=pc


品源专利代理   朱涛


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