前言

高壓GaN已在消費(fèi)級(jí)USB-PD快充的一次側(cè)大規(guī)模應(yīng)用，憑借高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、低柵極電荷參數(shù)與高速開關(guān)特性，可大幅增加開關(guān)頻率，并降低磁性元件數(shù)量與散熱配置，推動(dòng)20W~300W AC-DC產(chǎn)品功率密度快速提升。相比之下，低壓GaN過去受制于成本、封裝與驅(qū)動(dòng)生態(tài)成熟度，商用滲透率有限。近兩年隨產(chǎn)能正價(jià)、封裝/熱設(shè)計(jì)優(yōu)化與驅(qū)動(dòng)兼容性改善，低壓GaN開始進(jìn)入規(guī)?；季蛛A段。為此，本文將系統(tǒng)梳理低壓GaN在PD快充、車充、移動(dòng)電源、筆記本電腦、BMS保護(hù)、直流電源模塊、激光雷達(dá)與機(jī)器人等典型場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用。

PD快充應(yīng)用

在PD快充中，輸出電壓普遍在5~48V。傳統(tǒng)硅MOS做次級(jí)同步整流時(shí)，其輸入電容大、體二極管反向恢復(fù)慢，頻率一旦拉高，驅(qū)動(dòng)損耗和反向恢復(fù)損耗都會(huì)上升，但換用氮化鎵可解決上述問題。

使用氮化鎵代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅MOS，器件的輸入電容大大減小，高頻驅(qū)動(dòng)的功耗也將明顯降低。提高電源的開關(guān)頻率也就成為了可能，體積得到顯著優(yōu)化。但目前低壓氮化鎵成本目前仍比硅，但隨8英寸低壓氮化鎵產(chǎn)能逐步釋放，預(yù)計(jì)未來差價(jià)將會(huì)逐步降低，全面氮化鎵設(shè)計(jì)降普遍鋪開。

車充應(yīng)用

車充實(shí)現(xiàn)PD快充主要依賴升降壓電路，將汽車點(diǎn)煙器接口的12V/24V電源輸如的固定電壓，按照負(fù)載需求轉(zhuǎn)換為協(xié)議芯片所屬的電壓。

隨著現(xiàn)在PD3.1多口車充的普及，車充也在功率密度上做減法，將車充內(nèi)部的內(nèi)部升降壓電路的硅MOS全部替換成氮化鎵，有助于進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，提高功率密度，降低汽車耗電量。

美容儀

近期，我們注意到極萌推出一款內(nèi)置氮化鎵集成方案的超聲美容儀，憑借氮化鎵高頻高效特性，實(shí)現(xiàn)超聲聚能和能量穩(wěn)定傳輸，這是氮化鎵器件在個(gè)護(hù)領(lǐng)域的首個(gè)商業(yè)化落地項(xiàng)目，具有開拓性和實(shí)用性。

傳統(tǒng)美容儀超聲波驅(qū)動(dòng)電路常采用分離放置器件，占板空間大、設(shè)計(jì)復(fù)雜，制約其向小型化、高效化發(fā)展。而使用內(nèi)置氮化鎵集成驅(qū)動(dòng)的低壓氮化鎵可有效減少外圍元件數(shù)量、提升效率、延長(zhǎng)單次使用時(shí)長(zhǎng)，增加美容儀的靈活性。

車載擴(kuò)展塢

低壓氮化鎵可在車載擴(kuò)展塢的升降壓電路應(yīng)用，可助力產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)多檔位PD快充，并同時(shí)可保證大功率快充時(shí)的效率和溫升。

在此類產(chǎn)品中應(yīng)用氮化鎵器件可降低損耗，減小發(fā)熱，并可縮減電感、電容的使用規(guī)格和數(shù)量，助力產(chǎn)品在縮減體積的同時(shí)，降低取電損耗，間接延長(zhǎng)汽車?yán)m(xù)航。

鋰電保護(hù)

通過在BMS系統(tǒng)中使用低壓氮化鎵器件，可大幅降低了占板空間以及寄生參數(shù)，并且有效削減了系統(tǒng)成本，并能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供更高的安全裕量，降低電路故障概率，有效滿足電池包BMS系統(tǒng)場(chǎng)景應(yīng)用需求。

移動(dòng)電源

最近，酷態(tài)科推出一款氮化鎵移動(dòng)電源——15號(hào)超級(jí)電能卡Air，其同步升降壓電路采用E-mode低壓氮化鎵，實(shí)現(xiàn)5V~28V雙向輸入/輸出。

其內(nèi)置的E-MODE氮化鎵器件可減小驅(qū)動(dòng)級(jí)損耗，提高開關(guān)頻率，從而減小外圍元件數(shù)量以及體積。同時(shí)，低壓氮化鎵封裝面積更小，占板面積少。在PD3.1高功率移動(dòng)電源中用氮化鎵取代傳統(tǒng)硅MOS可實(shí)現(xiàn)更輕薄設(shè)計(jì)。

筆記本電腦

低壓氮化鎵可用于筆記本電腦主板DC-DC升降壓轉(zhuǎn)換電路，可將適配器輸入的19V~20V電壓或電池輸出電壓轉(zhuǎn)換為5V、3.3V、1.2V，供CPU、GPU、內(nèi)存、以及芯片組使用。

其核心價(jià)值在于可降低功率器件使用數(shù)量、體積，并降低發(fā)熱、提升效率，從而支持更輕薄的設(shè)計(jì)、性能釋放更強(qiáng)以及續(xù)航更持久的筆記本電腦產(chǎn)品。

DC-DC磚塊電源

為了滿足數(shù)據(jù)中心高功率密度的需求，48V-12V DC-DC磚塊電源方案在原邊和副邊換用干花椒可以最大限度地提高功率密度并簡(jiǎn)化電路，并將開關(guān)頻率提升至MHz級(jí)別，同時(shí)還可大幅提升產(chǎn)品峰值效率。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)可以以厘米級(jí)精度探測(cè)周邊環(huán)境的三維信息，并識(shí)別出物體的距離和輪廓。激光雷達(dá)中需要非常短的脈沖，來實(shí)現(xiàn)高分辨率，并且需要足夠的峰值功率，來保證必要的距離。通過高分辨率和距離來滿足自動(dòng)駕駛和輔助駕駛應(yīng)用要求。

激光雷達(dá)相當(dāng)于車輛的眼睛，需要非常短的時(shí)間來測(cè)量車輛對(duì)于障礙物的距離和形狀，通過車載計(jì)算機(jī)處理控制避免發(fā)生碰撞。

通過應(yīng)用氮化鎵器件控制激光二極管的工作，氮化鎵在激光雷達(dá)應(yīng)用中可以提供＜1納秒的下降和上升時(shí)間，滿足高耐壓和峰值電流的需求，為激光雷達(dá)低價(jià)格，小體積，高性能的追求提供了理想的解決方案。

機(jī)器人

現(xiàn)階段，人形機(jī)器人、四足機(jī)器人概念較為火熱，國(guó)內(nèi)外人形機(jī)器人概念股持續(xù)融資。而其后催生的問題便是如何解決機(jī)器人伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題。在整個(gè)機(jī)器人中為精準(zhǔn)模仿人體動(dòng)作，需要部署數(shù)十個(gè)伺服電機(jī)，且人形機(jī)器人的伺服系統(tǒng)對(duì)于控制精度、尺寸以及散熱均有更高要求。

而氮化鎵的核心優(yōu)勢(shì)便是開關(guān)頻率高，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)換用低壓氮化鎵可大幅提升PWM開關(guān)頻率，降低電機(jī)損耗，并降低電容的規(guī)格以及使用數(shù)量，可進(jìn)一步降低驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度和體積，提升關(guān)節(jié)電機(jī)靈活性。

手機(jī)/平板電腦

早在2021年，OPPO變首次把低壓氮化鎵開關(guān)管放進(jìn)手機(jī)內(nèi)部，用于快充路徑管理。一顆氮化鎵管就能替代兩顆傳統(tǒng)硅MOS，實(shí)現(xiàn)雙向關(guān)斷；其低導(dǎo)阻、高效率可把損耗壓到硅MOS的幾分之一，顯著減少發(fā)熱和壓降。

現(xiàn)如今隨手機(jī)/平板電腦快充功率提升至百瓦以上、部分私有協(xié)議充電電流達(dá)10A甚至更高，傳統(tǒng)硅MOS需額外散熱。氮化鎵憑借極低阻抗讓保護(hù)板無需導(dǎo)熱材料也能保持低溫，從而支持更高功率、更長(zhǎng)持續(xù)快充，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本。

充電頭網(wǎng)總結(jié)

低壓氮化鎵從快充PD適配器到車充，再到美容儀、筆電，低壓氮化鎵正在復(fù)制高壓GaN的成功路徑，用“更低損耗、更高頻率、更小體積”三重優(yōu)勢(shì)，把系統(tǒng)級(jí)效率、功率密度和用戶體驗(yàn)一次性推向新高。過去制約它的成本、驅(qū)動(dòng)生態(tài)和供應(yīng)鏈瓶頸，逐步在8英寸晶圓、兼容硅MOS驅(qū)動(dòng)的前提下被逐個(gè)擊破?？梢灶A(yù)見，隨著產(chǎn)能持續(xù)增長(zhǎng)，低壓GaN或?qū)⒊蔀槲磥黼娮赢a(chǎn)品內(nèi)低壓功率器件的首選。