似乎在一夜之间，GaN已经全面占领快充市场。从各大消费电子品牌到第三方配件厂商，无一不推出了采用GaN技术的快充产品。即使是最为谨慎的苹果，也为最新的笔记本配备了采用GaN技术的W快充充电器。能够缓解设备的充电焦虑，是GaN得以被广泛采用的重要原因，而GaN器件技术的发展，则是GaN得以在快充领域落地的充分条件。
作者｜李延校对｜萨米
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集微网报道似乎在一夜之间，GaN已经全面占领快充市场。从各大消费电子品牌到第三方配件厂商，无一不推出了采用GaN技术的快充产品。即使是最为谨慎的苹果，也为最新的笔记本配备了采用GaN技术的W快充充电器。能够缓解设备的充电焦虑，是GaN得以被广泛采用的重要原因，而GaN器件技术的发展，则是GaN得以在快充领域落地的充分条件。GaN在快充市场一飞冲天年10月25日，Anker发布了PowerPortAtomPD1——全球首款GaN充电器，将GaN正式引入了消费电子领域。这款充电器支持PD快充协议，提供最高27W的输出功率，但是仅比iPhone原装的5W充电器稍大，可以为任天堂Switch或MacBookPro充电。直到年9月，OPPO发布国内首款GaN充电器SuperVOOC2.0，充电功率为65W，在这个标志性的事件之后，GaN终于正式进入了庞大且极具影响力的手机市场。而在年下半年，由于5G手机的竞相发布，随着移动用电设备功耗的增加，快充产品开始大行其道，更让GaN的应用如鱼得水。这其中还有一个意外的原因，以苹果带头、三星跟进的取消标配充电器的行为，为更多第三方进入快充市场创造了机遇，间接促成了GaN的爆发。由于苹果和三星有非常强势的风向标作用，其他手机厂商纷纷跟进，迫使消费者单独购买充电器，第三方快充的需求被彻底释放。作为下一代的技术，GaN自然是受到了各厂商的追捧。除了OPPO、realme、小米、努比亚、三星、联想、中兴等手机厂商推出的产品之外，第三方厂商也是不遗余力地跟进，市场上20W-WGaN快充产品已多达数百款。苹果配合新款MacBookPro笔记本发布的W充电器，更是将GaN的市场应用推向了新高度。根据全球著名调研机构YoleDéveloppement的最新研报显示，年全球GaN功率器件的市场规模有望达到11亿美元；在-年期间，该市场的年复合增长率将达到70%，消费类市场将是其主要驱动力。GaN为什么如此受欢迎？因为与传统主流的Si材料相比，作为第三代半导体材料，GaN具有禁带宽度大、导热率高等特性，使得器件能够承载更高的能量密度，更高的耐受温度；电子饱和速度快，具有较高的载流子迁移率，GaN器件开关速度也更快；而且GaN器件导通电阻小，能效更高。使用GaN制作的充电器，外形尺寸可以比传统的Si基充电器减少30-50％；同时，整体系统效率可高达95％，这意味着在相同尺寸和相同输出功率的情况下，充电器外壳温度将比传统充电器更低；此外，GaN充电器可以使用较小的变压器和较小的机械散热器，因此整体重量可减少15-30％。拥有如此多的优势，辅之以高效的USBPD协议，GaN快充产品自然是叫好又叫座了。全集成方案促成GaN快充爆发GaN快充充电器的爆发，从外来说是市场需求的驱动，从内来看则是GaN功率器件技术发展的必然结果。从最初的分立式解决方案发展至全集成式功率芯片，简化设计难度的同时也降低了系统成本。全集成式功率芯片中最为经典的就是PowerIntegrations（以下简称PI）公司推出的InnoSwitch3系列。InnoSwitch3在电源IC市场已经久负盛名。因为在一个小型化的表面贴装封装内集成了初级功率开关、初级和次级控制电路，以及其间相链接的安全隔离型高速链路（FluxLink），同时集成了次级SR驱动器和反馈电路，使得InnoSwitch3具有高集成、高效率、高可靠的优势。PI公司将自行开发的PowiGaN开关技术整合进最新的InnoSwitch3中，取代了原先的Si基MOSFET，使其可在整个负载范围内提供95%的高效率，并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供W的功率输出。之前，开发GaN应用的主要难点在于其超高的开关速度，非常难于驱动和保护。PowiGaN技术则将GaN开关集成于IC内部以提供可靠的保护，具体来说就是将控制器、驱动器、PowiGaN开关、保护电路及SR控制集成在一个器件以内，以提供更高的效率。将GaN开关集成进芯片中也是一个非常聪明的做法，因为GaN与Si的MOSFET在工作方式上并没有任何区别。简单的反激式电路拓扑结构、无论是采用硅晶体管还是采用PowiGaN开关的InnoSwitch3IC均使用相同的开关电源设计流程、相同的开关频率、开关波形也极为相似、无异常的电路特性表现及增加特别的设计考量，只需根据输出功率的不同选取相应的外部电路元件，确保设计工程师能轻松掌握，保证开发的一致性和连贯性。诸多的优势让基于GaN的InnoSwitch3发布后仅两个月的时间就达成出货万。上文所提到的PowerPortAtomPD1，以及OPPORenoAce原装65WGaN等产品都搭载了该芯片。进入年，搭载PowiGaN技术的最新一代InnoSwitch4系列芯片也闪亮登场。这款芯片应用有源钳位反激架构，内置有源钳位上管驱动信号输出，通过外置的ClampZero实现有源钳位工作，将漏感能量回收，可实现高95%的转换效率。其内置坚固的V耐压PowiGaN主开关，稳态开关频率高达KHz，可最小化变压器体积。InnoSwitch4-CZ/ClampZero的芯片组使设计者能够为手机、平板电脑和笔记本电脑设计高达W的超高功率密度充电器，这些设计在以前是无法实现的。因此这款芯片一经推出，就被Anker用于其65W快充等产品，获得市场一致好评。同时，在市场上也有越来越多的厂商跟进，无论是国际大厂，还是国内后期之秀，都开始推出全集成的GaN快充方案，加速推进了技术的成熟进度。器件价格下降市场只是刚刚起步促成GaN在快充领域的大量应用，还有一个重要的原因就是GaN器件的价格大幅下降。在年初，GaN功率晶体管的重要厂商GaNSystems就宣布，其低电流，大批量GaN晶体管的价格已跌至1美元以下，这些晶体管通常用于智能手机和笔记本电脑以及各种消费品和工业应用的GaN充电器和AC适配器。从全球著名分销商Mouser给出的数据来看，80%的在售GaNHEMT（GaN晶体管）产品为耐压V，其年的平均价格约为2.73元/A，较年下降23.5%。事实上，由于疫情影响以及需求持续旺盛，导致原材料价格上涨;下游PD快充市场爆发，GaN芯片供不应求，尽管如此，价格仍然有所下降。据统计，年底面向PD快充V的GaNHEMT实际成交价格区间已经下落到0.5元/A以内，与Si器件的价差已经缩小到1.5倍以内，具有较强的竞争力。也许正是预见到了GaN技术会快速成熟，在年半年度财报电话会议上，PI公司CEOBaluBalakrishnan就表示，由于智能手机市场快充技术的持续扩张，USBPD将在未来几年成为公司收入增长的驱动力。随后的市场发展也正如他所料。行业数据显示，在以电商客户为主的充电器市场，年GaN器件出货量约为万-万颗，年实现了5-6倍增长，总体出货-万颗，年GaN器件的出货量则有望达到万颗。这种势头还在延续。TrendForce集邦咨询最近的研究显示，受惠于消费性快充产品需求快速上升，如手机品牌小米、OPPO、ViVO自年起率先推出快速充电头，凭借高散热效能与体积小的产品优势获得消费者青睐，截至目前笔电厂商也有意跟进，使GaN功率市场成为第三代半导体产业中产值上升最快速的类别，预估年营收将达8,万美元，年增高达73%。TrendForce还表示，年绝大多数GaN快速充电器的峰值功率都在55-65W范围内。峰值功率为55-65W的GaN快速充电器占去年所有GaN快速充电器销量的72%（65W为主流），而峰值功率为W及以上的GaN快速充电器仅占8%。不过，随着苹果进入大功率市场的示范作用，越来越多的厂商也会相继推出相应的产品，以应对消费者日益增加的需求。GaN在快充市场的精彩故事，只是刚刚开始。图源｜网络
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