小米发布GaN充电器，2020年将是GaN的起飞之年

2月13日，小米举办的小米10线上发布会上，除了手机，还有两个很有亮点的产品，一个是支持WiFi6的路由器，还有一个就是使用了氮化镓（GaN）功率器件的65W充电器。近期更是传言苹果也将推出65W的GaN充电器。如果再有苹果的加持的话，GaN市场在2020年肯定能一飞冲天。

其实从2018年开始就陆续有厂商推出了GaN充电器，只是在国内没开发布会而已。比如在2020年的CES上，参展的GaN充电器已经多达66款，涵盖了18W、30W、65W和100W等多个功率。

图1：雷军在小米10在线发布会上介绍GaN充电器。

GaN可以给充电器带来什么？

为什么越来越多的厂商开始关注GaN，并将之应用到自己的产品中呢？因为GaN是一种更新型的半导体材料，它与碳化硅（SiC）一起被成为“第三代半导体材料”，与硅、砷化镓等传统的半导体材料相比，具有更宽的带隙。其中硅的能隙是1.1电子伏特，砷化镓的能隙为1.4电子伏特，而GaN是3.4电子伏特。

因此，GaN具有更高的击穿电压(使用GaN时大于200V)；能够承受高的输入/输出错配(通常>15：1VSWR)；具有更高的结温，平均无故障时间为一百万个小时。

此外，它还具有热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。

图2：GaN技术成熟度曲线。

根据Gartner绘制的GaN技术成熟度曲线，GaN产品目前处于技术成熟度曲线的第二个攀升阶段，也就是说它的热潮时间段已经过去，走出了泡沫化的低谷期，已经进入了稳步爬升的光明期，现在正是氮化镓产品和技术发展的良机。

随着GaN技术获得突破，成本得到控制，除了射频微波领域，它还被广泛应用到了消费类电子等领域，其中快速充电器便是一例。

采用了GaN功率器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，大大的提升了用户的使用体验。

图3：GaN半导体材料的特性。

PI公司资深技术培训经理阎金光曾在利用PowiGaN开关技术扩展的InnoSwitch3 IC产品发布会上介绍说，用GaN开关替代硅MOSFET，可以极大地降低开关损耗，从而可以提高系统的效率；另外，由于GaN可以工作在高频段，因此可以使得整个电路的开关工作频率从原来的50~60kHz，提高到200~500kHz及以上，工作频率高了后，就可以大幅缩小变压器等器件的体积，从而提高了产品的功率密度，让产品的体积可以做得更小，效率做得更高。同时，因为效率提高了，散热也更好处理，有些产品甚至都不需要加散热片了。

快速充电器GaN芯片厂商有哪些？

据公开资料显示，小米这款65W氮化镓充电器型号的为AD65G，支持100-240V @ 50/60Hz全球电压输入；配备一个USB-C接口，支持USB PD3.0快速充电协议，并有5V/3A、9V/3A、10V/5A、12V/3A、15V/3A、20V/3.25A六组输出电压档位，最大输出功率65W。其中10V/5A特殊电压档是专为小米10Pro设计，能够以50W的疾速快充功率为小米10 Pro充电，从0充电至100%仅需45分钟。

图4：不同充电器的尺寸对比。

纳微（Navitas）半导体发布的新闻稿中提到，小米65W GaN充电器Type-C 65W采用的是纳微半导体的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC，它们针对高频、软开关拓扑进行了优化，通过FET、驱动器和逻辑的单片集成，创建了非常小并且非常快的易于使用的 “数字输入，电源输出” 高性能电源转化模块。使用GaNFast技术，小米65W GaN充电器的尺寸为56.3×30.8×30.8mm（53 cc），是小米10Pro标配适配器的一半大小。

而纳微半导体是一家于2014年在美国加利福尼亚州 El Segundo 成立的GaN功率IC公司。其拥有强大且不断增长的功率半导体行业专家团队，在材料、器件、 应用程序、系统和营销及创新成功记录的领域内，经验丰富。此外，其多位创始人总共加起来拥有超过200项专利。

从其官网上，我们可以看到，该公司总共发布了三款GaNFast产品，分别是NV6113、NV6115和NV6117。

图5：纳微半导体的三款GaN产品。（来源：纳微半导体官网）

当前市场上的GaN充电器主要采用的是650V GaN功率芯片作为功率开关。由于GaN功率芯片采用的是异质外延材料，在设计和制造工艺上都有极大的挑战，因此全球范围内成熟可量产的GaN产线其实并不多。

现有市场上主流的GaN充电器背后的GaN功率芯片主要来源于三大芯片厂商，除了纳微半导体，还有Power Integrations（PI）和英诺赛科。

图6：市面上流行的GaN充电器背后的三家芯片厂商。（数据来源：充电头网）

*IDM: Integrated Design Manufacturer，集成设计制造商，既有IC设计能力也有IC制造能力的公司

**Fabless：无晶圆厂的IC设计公司，只负责IC的设计，不负责IC的制造生产，一般其IC交由专业的代工厂进行加工

其中，PI的总部位于美国硅谷，是一家拥有三十多年历史，专注于高压电源管理和控制的电子元器件及电源方案供应商。其PowGaN品牌的GaN产品是2019年9月正式推出的，其实在品牌正式推出前，PI的GaN功率芯片已经在给客户出货了。

据其微信公众号新闻介绍，在2019年9月30日时，PI的CEO Balu Balakrishnan亲手将第100万颗PowiGaN GaN功率器件交给了安克创新的CEO阳萌。也就是说在9月底时，PI的GaN芯片出货量已经突破100万颗了。

目前 PI共有四款产品采用PowiGaN技术。分别是：

InnoSwitch3-Pro - 适合可动态控制电压及电流的电源应用；

InnoSwitch3-EP - 适合敞开式环境的电源应用；

InnoSwitch3-CP - 适合需要恒功率输出特性的充电应用；

LYTSwitch-6 - 适合LED 照明及镇流器应用。

另外一家英诺赛科（Innoscience）是一家国产硅基氮化镓厂商，它由海归团队于2015年12月发起并成立。公司一期项目坐落于珠海市国家级高新区，占地1.7万平米，投资10.95亿元，于2017年建成了全球首条8英寸增强型硅基氮化镓功率器件量产线，2018年6月发布8英寸硅基氮化镓WLCSP功率产品。二期项目坐落于苏州市吴江汾湖高新区， 占地24.5万平米，于2018年6月开工建设，预计2020年投入生产。

英诺赛科采用了集研发、设计、生产、制造和测试为一体的IDM模式，公司在可靠性和失效分析上进行战略投入， 建立了自有分析平台。它主要生产30V-650V氮化镓功率器件、功率模块和射频器件等产品。公司目前有单管GaN FET、半桥GaN FET和GaN IC三大类产品。

GaN还有哪些应用及玩家？

GaN除了可以应用在快充领域，在射频、汽车电子和光电子领域也应用较为广泛。自 20 年前出现首批商业产品以来，GaN 已成为射频功率应用中 LDMOS 和 GaAs 的重要竞争对手，其性能 和可靠性不断提高且成本不断降低。第一批SiC基GaN和硅基GaN器件几乎同时出现，但SiC基GaN技术更加成熟，目前在射频GaN市场上占主导地位的是SiC基GaN产品，尤其是随着5G的到来，GaN将会在Sub-6GHz宏基站和毫米波（24GHz以上）小基站中找到一席之地。

不过，在GaN射频市场，主要以美国和日本厂商为主，欧洲厂商次之，中国主要是一些新进的企业。据Yole统计，2019 年全球3750多项专利一共可分为1700多个专利家族。这些专利涉及RF GaN外延、RF半导体器件、集成电路和封装等。Cree（Wolfspeed）拥有最强的专利实力，在RF应用的GaN HEMT专利竞争中，尤其在SiC基GaN技术方面处于领先地位，远远领先于其主要专利竞争对手住友电工和富士通。英特尔和MACOM是目前最活跃的RF GaN专利申请者，主要聚焦在硅基GaN技术领域。GaN RF HEMT相关专利领域的新进入者主要是中国厂商，例如 HiWafer（海威华芯），三安集成、华进创威。

图7：GaN射频市场重要玩家的专利实力。（来源：Yole）

与硅基GaN射频相关的专利自2011年以来一直稳定增长，与 SiC基GaN相关的专利则一直在波动。硅基GaN射频专利中，17%的RF GaN专利明确声明用于GaN衬底。主要专利受让人是英特尔和MACOM，其次 是住友电工、英飞凌、松下、HiWafer、CETC、富士通和三菱电机。

GaN MMIC 领域，东芝和Cree（Wolfspeed）拥有最重要的专利组合。Cree在该领域的IP地位最强，但是东芝目前是最活跃的专利申请人，在未来几年中将进一步巩固其IP地位。主要新进入者是Tiger Microwave （泰格微波）和华进创威。在RF GaN PA领域，Cree（Wolfspeed）处于领先地位。其他主要的IP厂商是东芝、 富士通、三菱电机、Qorvo、雷神公司和住友电机，新进者有MACOM。GaN RF开关领域，英特尔表现最活跃， 新进者有 Tagore Technology。英特尔是GaN RF滤波器的主要专利请人。

GaN技术有望大幅改进电源管理、发电和功率输出等应用。硅电源开关成功解决了低电压（<100 伏）或高电压容差（IGBT 和超结器件）中的效率和开关频率问题。然而，由于硅的限制，单个硅功率FET中无法提供全部功能。宽带隙功率晶体管（如GaN和SiC）可以在高压和高开关频率条件下提供高功率效率，从而远远超过硅MOSFET产品。

由于材料特性的差异，SiC在高于1200V的高电压、大功率应用具有优势，而GaN器件更适合40-1200V的高频应用，尤其是在600V/3KW以下的应用场合。因此，在微型逆变器、伺服器、马达驱动、UPS 等领域， GaN可以挑战传统MOSFET或IGBT器件的地位。GaN 让电源产品更为轻薄、高效。

在去年三月份<电子发烧友>举办的BLDC电机论坛上，就有专家表示十分关注GaN技术的发展，因为GaN技术可以让BLDC电机控制更加灵活，性能更好。

在汽车电子中，如果使用48V总线系统的话，GaN技术可以帮助提高效率，缩小尺寸，并降低系统成本。

其实一直以来，GaN功率器件都是由EPC、GaN Systems、Transphorm和Navitas此类的纯GaN初创公司主导的，他们的产品主要是TSMC、Episil和X-FAB代工生产的。国内的新兴代工厂中，三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力。

在近几年的激烈竞争中，英飞凌和 Transphorm 掌握了最顶级的功率GaN专利。英飞凌的专利最全面，可在各个GaN应用场景进行商业活动。而Transphorm则主攻功率GaN，暂时领先其他竞争厂商。

英飞凌，EPC 和瑞萨目前在积极地进行功率GaN专利的研发和申请。并且，英飞凌和英特尔都在研发将GaN功率器件与其他类型的器件（例如射频电路和LED和/或Si CMOS 技术）进行单片集成的技术。

此外，GaN也是蓝光LED的基础材料，在MicroLED和紫外激光器中有着重要作用。

其他重要的GaN企业

CREE：全球最大的SiC和GaN器件制造商

Cree（Wolfspeed）在全球LED芯片、LED组件、照明产品、电源转换和无线通信设备市场中处于领导地位。Cree具备SiC功率器件及GaN射频器件生产能力，其中SiC功率器件市场，Wolfspeed 拥有全球最大的份额，公司也引领了SiC晶圆尺寸的变化浪潮。在GaN射频市场，Wolfspeed位居第二。公司的GaN HEMT出货 量超过1500万只，并进一步拓展了GaN-on-SiC代工服务。

英飞凌：半导体与系统解决方案提供商

英飞凌提供各种半导体解决方案，包括微控制器，LED 驱动器，传感器以及汽车和电源管理 IC 等。在2019年6月宣布收购赛普拉斯（Cypress）之后，Infineon 成为全球第八大芯片制造商。

美国国际整流（IR）公司于2010年推出了第一批商用化的GaN产品iP2010和iP2011，用于多相和POL的DC-DC转换器、开关和服务器等。2013年5月，IR开始了硅基GaN器件的商业化。

2014年9月，英飞凌以30亿美元收购了IR，通过此次收购，英飞凌取得了IR的硅基GaN功率半导体技术。

2015年3月，英飞凌和松下达成协议，联合开发采用松下电器的常闭式硅基GaN晶体管，于英飞凌的表贴（SMD）封装的GaN器件，推出高能效600V GaN功率器件。松下向英飞凌授予了使用其常闭型GaN晶体管结构的许可。按照协议，两家公司均可生产高性能GaN器件。

2018年12月份，英飞凌宣布其硅基GaN产品开始量产，在其新闻发布会上，英飞凌发布了采用氮化镓材料的CoolGaN 400V和600V增强型HEMT产品。

图8：GaN的技术优势。

住友电工：全球GaN射频器件第一大供应商

住友集团具有400年渊源历史，旗下住友电工（Sumitomo Electric）主要生产GaAs低噪声放大器（LNA）、 GaN放大器、光收发器及模块。住友电工为全球GaN射频器件第一大供应商，同时也是华为GaN射频器件第一大供应商，住友电工还向华为供应大量的光收发器及模块，位列华为50大核心供应商之列。住友电工垄断全球GaN衬底市场，其技术在业内处于领先地位。

意法半导体：与业界联手抢占GaN汽车电子市场

意法半导体正在将产品组合扩展至GaN领域。在2018年2月份的时候，意法半导体（ST）与MACOM签署了一份硅基氮化镓合作开发协议，根据协议，意法半导体为MACOM制造硅基氮化镓射频芯片。除了扩大MACOM的货源外，该协议还授权意法半导体在手机、无线基站和相关商用电信基础建设之外的射频市场制造、销售硅基氮化镓产品。

2018年9月，意法半导体展示了其在功率GaN方面的研发进展，并宣布将建设一条新产线，生产包括硅基GaN异质外延在内的产品。

并于2018年与CEA-Leti展开功率GaN合作，主要涉及常关型GaN HEMT和GaN二极管设计和研发，这将充分发挥CEA-Leti的IP和意法半导体的专业知识。意法半导体在位于法国格勒诺布尔的CEA-Leti中试线上研发产品，并在技术成熟后转移至意法半导体的8英寸量产线（也在法国）。

2020年2月21日，意法半导体又携手TSMC，合作加速氮化镓工艺技术的开发，并将分离式与整合式氮化镓元件导入市场。通过此合作，意法半导体将采用TSMC公司的氮化镓工艺技术来生产其氮化镓产品。据称此次合作主要是针对汽车用的氮化镓产品。

安森美半导体：正在与Transphorm合作

在功率GaN研发方面，安森美正在与Transphorm合作，共同开发和推广基于GaN的产品和电源系统方案，用于工业、计算机、通信、LED照明及网络的各种高压领域。基于同一导通电阻等级，该公司第一代600 V硅基GaN器件已比高压硅MOSFET提供好4倍以上的门极电荷、更好的输出电荷、差不多的输出电容和好20倍以上的反向恢复电荷，通过继续改进，未来GaN的优势将会越来越明显。

松下：解决了很多课题

在GaN开发过程中、松下解决了很多课题。特别是其X-GaN系列，优点突出，主要体现在以下3个方面：

安全（实现常关）；

和Si-MOSFET相同的驱动方法（不容易坏的栅极）；

易于设计（无电流崩塌）。

X-GaN采用HD-GIT结构，从小功率到大功率设备，可提供最合适的封装选择。小功率提供DFN6x4，中大功率提供DFN8x8，大功率提供PSOP封装。

另外，其所有产品都可采用Kelvin Source，可以把源极寄生电感降到最小，实现高频稳定工作。

结语

随着5G时代的到来，5G基站的大规模建设对GaN射频有着巨大的需求，加上国内小米、OPPO等手机厂商在旗舰机型中采用GaN快充，GaN功率芯片的出货量有望在今年一飞冲天。

GaN之前一直没能普及，与其高高在上的价格不无关系，而现在，随着市场需求量增大、大规模生产的实现，以及工艺技术的革新等原因，GaN器件的价格有望走向平民化，这对GaN器件的普及也铺平了道路。