材料深一度|手机快充进入个位数时代 GaN功不可没

240W刷新手机快充最高功率密度

2月9日，realme GT Neo5发布，同时量产首发搭载240W闪充技术。该充电器尺寸仅57 x 58 x 30 mm (99 cc)，重量为173g，功率密度达到了业界领先的2.42 W/cc。使用该充电器为GT3的4600mAh电池充电30秒，仅需4分钟左右就能充至50%，完全充电可在9分30秒内完成。

300W即将刷新手机快充最短时间

2月28日，雷军公众号公开了一款名为“300瓦神仙秒充”的GaN充电器，5分钟充满100%电，刷新手机快充记录。据悉，该快充基于Redmi Note 12探索版魔改而来，实现了300瓦超大功率。在功率大涨43%的情况下，其体积与小米上一代210瓦充电器完全相同，功率密度达到2.31W/cm³。

30W到300W 手机快充进入个位数时代

2018~2019年，市场上普遍的快充功率还在20~30 W左右，且体积较大。2018年10月，ANKER在纽约发布了全球首款USB PD GaN充电器PowerPort Atom PD1，30W的功率不到55cc的体积，几乎吊打当时市场上普遍的快充，GaN技术正式亮相手机快充消费市场。

2019年8月，倍思发布65 W 2C+A GaN充电器，一个月后，OPPO发布65 W SuperVOOC 2.0快充，功率密度首次超过1W/cc。自此，GaN快充一发不可收拾，各类品牌的GaN快充加速涌入市场。

2020~2022年，品牌厂商密集性发布快充技术，65W、120W、210W让人眼花缭乱。进入2023Q1，realme 240W更是量产发售，红米300W 亦是呼之欲出。

从2018年10月GaN手机快充正式亮相到2023Q1 realme 240W量产发售，GaN快充在体积增长不到1倍的基础上，当前输出功率整整是原来的8倍，功率密度是原来的4倍有余。直观的看，GaN快充即将将手机充电时间缩短到5分钟，令人瞠目结舌！

小体积大功率 GaN功率器件功不可没

GaN快充技术的飞速发展背后的核心是GaN功率器件的强力支撑。那为什么GaN功率器件能够实现快充的小体积大功率呢？

先来了解一下手机充电的基本过程：

1.电压220v、频率50hz的市电转换成适合于手机充电用的低压直流电，比如5V/13.4A，最新20V/12A，得到67W、100W的充电功率。

2.通过数据线将转换后的低压直流电输入到手机。5V/13.4A或者20V/12A是充电头转换后数据线传输的功率，不是手机电池的电压，因此还需要进行一次电压电流的转换，目前主流的是电荷泵方案。

3.经过电荷泵方案后手机电池开始充电。

电流从充电器到数据线再到电荷泵系统，最后到达电池。在这个过程中，充电器最重要的作用是进行电压电流的转换。一般而言，充电功率越大，充电头或者适配器的体积就会越大，比如，从手机到笔记本再到电动自行车，适配器体积显著增大。

充电器体积增大的原因有两个：

一是为了散热，功率越大发热越多，需要更大的空间散热；

二是为了跟充电器内部元器件的体积相匹配，尤其是变压器的体积，变压器越大充电器就需要做的越大。

那GaN功率器件在如此高的输出功率下是如何做到这么小的体积的呢？GaN作为一种宽禁带材料，具备禁带宽度大、击穿电场高、饱、电子漂移速度快和导通电阻低等特点，能够在高温、高压、高效、高频、高功率等特定需求环境下运行。

GaN材料的这些特性刚好跟手机充电器小体积大功率的需求相匹配。

首先，GaN耐高温，GaN功率器件可以承受较高的温度，意味着快充在更小的体积小能够承受更高的温度。

其次，GaN导通电阻低，导通的时候能量损耗会比较低，也就是GaN功率器件电路发热量少，同样意味着快充体积能够更加紧凑。

最后，GaN频率高，能够产生高频交流电，采用GaN功率器件就可以显著提高充电频率，从而减小变压器的体积，变压器是充电器当中体积最大的元器件之一。

（充电器变压器在变压的时候本质上是利用了电磁感应原理，两组线圈，要输出的电动势跟电流频率和线圈的匝数是正比的，要提高输出电压在频率遇到瓶颈的情况下，线圈的匝数就需要增加，然后变压器的体积就会变大，这也是很多高功率的充电器体积较大的最核心原因）。

跟传统功率器件相比，GaN对整个电路体积的压缩、频率提高以及它本身低开关损耗的优势都是Si管无法替代的。

热度持续不减 2022却价量齐降

2022年，各大品牌厂商在其产品发布会争先恐后推出过百瓦的快充，不断刷新消费者对手机充电速度的认知。一方面市场好不热闹，GaN快充热度持续不减；另一方面，市场发展却不及预期。

据CASA Research调研，以手机快充为主要市场的GaN主要厂商业绩均未达到2022年初设定目标。一是消费电子设备需求低迷，2022年全球智能手机、个人PC、平板电脑出货量都出现下滑。另一方面，第三代半导体器件价格发生分化。PD快充领域，由于需求下滑，加之众多竞争者加入，导致2022年GaN功率电子产品价格下降了10%-30%不等。综合预计，GaN PD快充市场将较去年下降5%-10%。

需求有待释放 未来值得追逐

2022年，有关“消费者真实使用的快充功率”网络调查数据显示：参与统计的用户有超过50%仍使用50W以下的快充。今年3月份，小米工程师王彦腾在接受采访时表示，目前快充产品已在所有产品中占比提升至30%-40%，其中大部分高功率快充设备均采用GaN充电器。GaN 快充当前主要定位在旗舰机型，整体市场量并不是很大，随着快充下沉到更多大众机型，GaN快充有望进一步起量。

尽管GaN领域的玩家不断增加，GaN功率器件在手机快充领域的应用似乎已进入红海，竞争不断加剧，但同时也意味着技术、市场市场成熟度越来越高，成本有望进一步下降。

对于GaN功率器件而言，GaN快充应用只是拉开了GaN功率器件应用的序幕，GaN功率器件市场的发展仍处于初期。Yole数据指出，2021年到2027年期间，GaN功率器件市场CAGR达52%，整体市场规模达到20亿美元，其中消费类市场规模超过9.156亿美元。GaN功率器件在储能、数据中心、通讯基站、家用微型逆变器以及新能源汽车等领域渗透率还很低，有着更广阔的发展前景，未来值得我们追逐。

国内外GaN产业链典型企业

目前，国际上GaN衬底生产以日本Sumitomo Electric和Mitsubishi Chemical等企业为主，外延企业主要包括日本Sumitomo、比利时EpiGaN、英国IQE等；GaN功率器件生产企业主要包括Transphorm、EPC、GaN Systems、Navitas等企业。

国内也有数十家GaN材料和功率器件生产企业，从上游Si衬底、GaN外延材料的制备，中游器件设计、制造、封测到下游的应用，产业链基本形成。国内GaN衬底的领军企业主要是苏州纳维和中镓半导体；功率电子用GaN外延材料生产企业主要有晶湛半导体、苏州汉骅、能华微电子等；GaN功率器件和射频器件的企业主要以IDM模式为主，功率电子IDM代表企业有英诺赛科、润新微、能华微电子，聚能创芯等。