氮化镓：用“LiChi定律”跟踪快速充电

半导体行业充满知名的定律。其中最著名的是英特尔联合创始人戈登·摩尔 （Gordon Moore） 指出，IC 上的组件数量每年翻一番。许多人还知道罗伯特·德纳德 （Robert Denard） 制定的定律：随着晶体管尺寸的减小，功率密度没有变化，因为电压和电流会随着通道的长度而变化。但请注意，自上世纪九十年代中期以来，丹纳德缩放似乎已经崩溃。

化合物半导体行业也有法律。也许您听说过海茨定律，该定律指出，LED 的每流明成本每十年下降十倍，并且对于给定的波长，封装设备产生的光会增加 20 倍。最近，由于我参与的中国合作的努力，出现了“荔枝定律”，描述了与氮化镓充电相关的性能变化，以我在深圳大学实验室附近的荔枝树命名。

图 1.（a）氮化镓快充输出功率-产品体积图。（b）氮化镓快充输出功率-产品质量图。
在过去几年中，氮化镓功率器件在消费类快速充电产品中得到采用后，销量猛增。我们的合作一直在深入研究与性能相关的方面，通过进行深入的市场研究，早在 2023 年，我们就确定了当时的发展规律，从而提出了力驰定律——它指出，平均每间隔 12 个月，商用氮化镓快速充电器的输出功率就会增加约 50%。两年过去了，我们发现消费类氮化镓快充仍在遵循立驰定律，工业市场现在也享受着类似的动态。

为了说明输出功率的快速增长，请考虑早在 2018 年投放市场的 Anker GaN 快速充电器，其功率仅为 30 W。虽然当时令人印象深刻，但现在许多品牌正在推出输出功率超过 300 W、功率密度超过 3.3 W cm 的产品^-3.

我们的工作包括对氮化镓快充产品的3C认证数据进行调查，这使我们能够对不同年份列出的产品的功率参数分布进行可视化比较（见图1）。

图 2.近年来消费类氮化镓快充，从（a）功率密度和（b）功率方面进行评估。

根据这些数据，可以看出，2021年之前的快充产品主要集中在1Wcm以下^-3，功率密度一般在0.7-0.9 W cm范围内^-3，反映了早期氮化镓技术的成熟状态。到 2023 年，大多数快充产品超过 1 W cm^-3，有些甚至超过 2 W cm^-3，这可能是业界首款实验性高密度产品。快充产品聚集在1-3W厘米^-32024 年至 2025 年的频段。到目前为止，最大功率密度为 3.3 W cm^-3，但少数产品出现时的尺寸仅为 1.8 W cm 左右^-3，反映了市场的技术分层——一些供应商追求极致密度，而另一些供应商则注重成本和稳定性。

从这些充电器的质量分布来看（见图1（b）），显然已经取得了进展。2018年，Anker推出首款30W GaN快速充电器时，其质量为54 g，功率密度仅为0.53 W g^-1. 2022 年，OPPO 开辟了新天地，推出了 200 W GaN 快速充电器，质量为 147 g，功率密度为 1.36 W g^-1– 这是第一款突破 200 W 且功率密度超过 1 W g 的快速充电器^-1. 此后，Realme和太高提高了标准，推出了功率密度为1.44W g的240W GaN快速充电器^-1和 1.37 W g^-1分别在 2024 年和 2025 年。

我们还收集了GaN快充产品随时间变化的最大功率和功率密度的数据，并绘制了功率密度增长（见图2（a））和功率增长（见图2（b））。这些图表显示，功率和功率密度随着时间的推移而上升，其增长率与之前提出的“荔枝定律”高度一致——即每12个月，商用氮化镓快速充电电源单元的输出功率就会增加约50%。

另一个观察是，氮化镓技术正在加速从消费级快充向工业级电源的渗透，这一趋势始于 2020 年。这一发现得出了对 2018 年至 2025 年对消费级快速充电和工业级 GaN 功率产品进行的全面研究的结果（见图 3）。

图 3.（a） 工业和消费类氮化镓的效率-功率图 电源。（b） 工业氮化镓功率的功率-体积图 用品。

与消费级氮化镓快速充电产品相比，工业级氮化镓电源在效率方面平均高出 4%，在功率输出方面平均高出三倍多。

我们也确定，氮化镓在工业领域的应用已经更加广泛和深入，其大功率、高效率的特性可以在工业场景中得到充分发挥，可以满足工业设备对高性能电源的需求。

我们对市场动态的广泛调查也发现了输出功率增加的明显趋势。2020—2021年间，我们发现GaN技术主要在中低功率场景的初期得到验证。这方面的一个例子是华为推出具有功率密度提升潜力的 3000 W 产品。到 2022 年，GaNEXT 推出了 3600 W GaN 服务器电源，其功率比前代产品增加了 20%，但由于封装技术的原因，体积和效率仍然较低。当时，这些工业电源的平均功率密度不超过5 W cm^-3，销售主要面向轻量级场景，例如边缘计算。

过去几年取得了重大进展。自2023年以来，纳微在氮化镓服务器电源方面取得突破，功率密度从5.88 W cm不等^-3适用于 2023 年 3200 W 至 13.79 W cm^-32024 年，4500 W 组件的容量效率在两年内提高了 134%。此时，氮化镓技术开始针对数据中心应用进行扩展，8500 W 原型机将于 2024 年亮相，功率比 2022 年增加了 136%，标志着氮化镓在中高功率边界的突破。

当部署在工业氮化镓电源中时，氮化镓的功率输出密度一般在3-6 W cm范围内^-3.GaN 在工业应用中的突出优势是功率输出密度比消费类 GaN 快速充电高出 2 到 3 倍。

图 4.氮化镓消费级快充和工业级电源开发。

我们对氮化镓在电源充电中的演变进行了全面研究，包括对工业氮化镓服务器电源的峰值功率数据和消费级产品的参数的回顾。这使电力年坐标系的构建成为可能，以及工业领域和消费领域之间功率演进技术发展的比较图（见图4）。

通过对这张图表进行彻底的分析，我们观察了氮化镓技术的发展轨迹。我们的数据表明，氮化镓功率器件的性能提升与“荔枝定律”高度一致。具体来说，工业级氮化镓电源的输出功率每 12 个月增加约 50%。

我们可以得出结论，通过对消费级氮化镓快充和工业级氮化镓服务器电源的研究，氮化镓快充的输出功率往往每12个月增加50%左右。

《荔枝定律》的贡献者包括：深圳大学的钟志祥、吴宇彤、江炳和刘鹤洲;浙江大学李静波;江南大学敖金平;来自洲明集团有限公司的陈立璇;来自深圳平湖实验室的 Yuxi Wan 和 Daohua Zhang;来自红蓝微电子（上海）有限公司的杨占武;以及来自科特尔智能科技（深圳）有限公司的陈胜森。