2月13日，小米舉辦的小米10線上發布會上，除了手機，還有兩個很有亮點的產品，一個是支持WiFi6的路由器，還有一個就是使用了氮化鎵（GaN）功率器件的65W充電器。近期更是傳言蘋果也將推出65W的GaN充電器。如果再有蘋果的加持的話，GaN市場在2020年肯定能一飛沖天。

其實從2018年開始就陸續有廠商推出了GaN充電器，只是在國內沒開發布會而已。比如在2020年的CES上，參展的GaN充電器已經多達66款，涵蓋了18W、30W、65W和100W等多個功率。

圖1：雷軍在小米10在線發布會上介紹GaN充電器。

GaN可以給充電器帶來什么？

為什么越來越多的廠商開始關注GaN，并將之應用到自己的產品中呢？因為GaN是一種更新型的半導體材料，它與碳化硅（SiC）一起被成為“第三代半導體材料”，與硅、砷化鎵等傳統的半導體材料相比，具有更寬的帶隙。其中硅的能隙是1.1電子伏特，砷化鎵的能隙為1.4電子伏特，而GaN是3.4電子伏特。

因此，GaN具有更高的擊穿電壓(使用GaN時大于200V)；能夠承受高的輸入/輸出錯配(通常>15：1VSWR)；具有更高的結溫，平均無故障時間為一百萬個小時。

此外，它還具有熱導率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強度和高硬度等特性。

圖2：GaN技術成熟度曲線。

根據Gartner繪制的GaN技術成熟度曲線，GaN產品目前處于技術成熟度曲線的第二個攀升階段，也就是說它的熱潮時間段已經過去，走出了泡沫化的低谷期，已經進入了穩步爬升的光明期，現在正是氮化鎵產品和技術發展的良機。

隨著GaN技術獲得突破，成本得到控制，除了射頻微波領域，它還被廣泛應用到了消費類電子等領域，其中快速充電器便是一例。

采用了GaN功率器件的充電器最直觀的感受就是體積小、重量輕，在發熱量、效率轉換上相比普通充電器也有更大的優勢，大大的提升了用戶的使用體驗。

圖3：GaN半導體材料的特性。

PI公司資深技術培訓經理閻金光曾在利用PowiGaN開關技術擴展的InnoSwitch3 IC產品發布會上介紹說，用GaN開關替代硅MOSFET，可以極大地降低開關損耗，從而可以提高系統的效率；另外，由于GaN可以工作在高頻段，因此可以使得整個電路的開關工作頻率從原來的50~60kHz，提高到200~500kHz及以上，工作頻率高了后，就可以大幅縮小變壓器等器件的體積，從而提高了產品的功率密度，讓產品的體積可以做得更小，效率做得更高。同時，因為效率提高了，散熱也更好處理，有些產品甚至都不需要加散熱片了。

快速充電器GaN芯片廠商有哪些？

據公開資料顯示，小米這款65W氮化鎵充電器型號的為AD65G，支持100-240V @ 50/60Hz全球電壓輸入；配備一個USB-C接口，支持USB PD3.0快速充電協議，并有5V/3A、9V/3A、10V/5A、12V/3A、15V/3A、20V/3.25A六組輸出電壓檔位，最大輸出功率65W。其中10V/5A特殊電壓檔是專為小米10Pro設計，能夠以50W的疾速快充功率為小米10 Pro充電，從0充電至100%僅需45分鐘。

圖4：不同充電器的尺寸對比。

納微（Navitas）半導體發布的新聞稿中提到，小米65W GaN充電器Type-C 65W采用的是納微半導體的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC，它們針對高頻、軟開關拓撲進行了優化，通過FET、驅動器和邏輯的單片集成，創建了非常小并且非常快的易于使用的 “數字輸入，電源輸出” 高性能電源轉化模塊。使用GaNFast技術，小米65W GaN充電器的尺寸為56.3×30.8×30.8mm（53 cc），是小米10Pro標配適配器的一半大小。

而納微半導體是一家于2014年在美國加利福尼亞州 El Segundo 成立的GaN功率IC公司。其擁有強大且不斷增長的功率半導體行業專家團隊，在材料、器件、 應用程序、系統和營銷及創新成功記錄的領域內，經驗豐富。此外，其多位創始人總共加起來擁有超過200項專利。

從其官網上，我們可以看到，該公司總共發布了三款GaNFast產品，分別是NV6113、NV6115和NV6117。

圖5：納微半導體的三款GaN產品。（來源：納微半導體官網）

當前市場上的GaN充電器主要采用的是650V GaN功率芯片作為功率開關。由于GaN功率芯片采用的是異質外延材料，在設計和制造工藝上都有極大的挑戰，因此全球范圍內成熟可量產的GaN產線其實并不多。

現有市場上主流的GaN充電器背后的GaN功率芯片主要來源于三大芯片廠商，除了納微半導體，還有Power Integrations（PI）和英諾賽科。

圖6：市面上流行的GaN充電器背后的三家芯片廠商。（數據來源：充電頭網）

*IDM: Integrated Design Manufacturer，集成設計制造商，既有IC設計能力也有IC制造能力的公司

**Fabless：無晶圓廠的IC設計公司，只負責IC的設計，不負責IC的制造生產，一般其IC交由專業的代工廠進行加工

其中，PI的總部位于美國硅谷，是一家擁有三十多年歷史，專注于高壓電源管理和控制的電子元器件及電源方案供應商。其PowGaN品牌的GaN產品是2019年9月正式推出的，其實在品牌正式推出前，PI的GaN功率芯片已經在給客戶出貨了。

據其微信公眾號新聞介紹，在2019年9月30日時，PI的CEO Balu Balakrishnan親手將第100萬顆PowiGaN GaN功率器件交給了安克創新的CEO陽萌。也就是說在9月底時，PI的GaN芯片出貨量已經突破100萬顆了。

目前 PI共有四款產品采用PowiGaN技術。分別是：

InnoSwitch3-Pro - 適合可動態控制電壓及電流的電源應用；

InnoSwitch3-EP - 適合敞開式環境的電源應用；

InnoSwitch3-CP - 適合需要恒功率輸出特性的充電應用；

LYTSwitch-6 - 適合LED 照明及鎮流器應用。

另外一家英諾賽科（Innoscience）是一家國產硅基氮化鎵廠商，它由海歸團隊于2015年12月發起并成立。公司一期項目坐落于珠海市國家級高新區，占地1.7萬平米，投資10.95億元，于2017年建成了全球首條8英寸增強型硅基氮化鎵功率器件量產線，2018年6月發布8英寸硅基氮化鎵WLCSP功率產品。二期項目坐落于蘇州市吳江汾湖高新區， 占地24.5萬平米，于2018年6月開工建設，預計2020年投入生產。

英諾賽科采用了集研發、設計、生產、制造和測試為一體的IDM模式，公司在可靠性和失效分析上進行戰略投入， 建立了自有分析平臺。它主要生產30V-650V氮化鎵功率器件、功率模塊和射頻器件等產品。公司目前有單管GaN FET、半橋GaN FET和GaN IC三大類產品。

GaN還有哪些應用及玩家？

GaN除了可以應用在快充領域，在射頻、汽車電子和光電子領域也應用較為廣泛。自 20 年前出現首批商業產品以來，GaN 已成為射頻功率應用中 LDMOS 和 GaAs 的重要競爭對手，其性能 和可靠性不斷提高且成本不斷降低。第一批SiC基GaN和硅基GaN器件幾乎同時出現，但SiC基GaN技術更加成熟，目前在射頻GaN市場上占主導地位的是SiC基GaN產品，尤其是隨著5G的到來，GaN將會在Sub-6GHz宏基站和毫米波（24GHz以上）小基站中找到一席之地。

不過，在GaN射頻市場，主要以美國和日本廠商為主，歐洲廠商次之，中國主要是一些新進的企業。據Yole統計，2019 年全球3750多項專利一共可分為1700多個專利家族。這些專利涉及RF GaN外延、RF半導體器件、集成電路和封裝等。Cree（Wolfspeed）擁有最強的專利實力，在RF應用的GaN HEMT專利競爭中，尤其在SiC基GaN技術方面處于領先地位，遠遠領先于其主要專利競爭對手住友電工和富士通。英特爾和MACOM是目前最活躍的RF GaN專利申請者，主要聚焦在硅基GaN技術領域。GaN RF HEMT相關專利領域的新進入者主要是中國廠商，例如 HiWafer（海威華芯），三安集成、華進創威。

圖7：GaN射頻市場重要玩家的專利實力。（來源：Yole）

與硅基GaN射頻相關的專利自2011年以來一直穩定增長，與 SiC基GaN相關的專利則一直在波動。硅基GaN射頻專利中，17%的RF GaN專利明確聲明用于GaN襯底。主要專利受讓人是英特爾和MACOM，其次 是住友電工、英飛凌、松下、HiWafer、CETC、富士通和三菱電機。

GaN MMIC 領域，東芝和Cree（Wolfspeed）擁有最重要的專利組合。Cree在該領域的IP地位最強，但是東芝目前是最活躍的專利申請人，在未來幾年中將進一步鞏固其IP地位。主要新進入者是Tiger Microwave （泰格微波）和華進創威。在RF GaN PA領域，Cree（Wolfspeed）處于領先地位。其他主要的IP廠商是東芝、 富士通、三菱電機、Qorvo、雷神公司和住友電機，新進者有MACOM。GaN RF開關領域，英特爾表現最活躍， 新進者有 Tagore Technology。英特爾是GaN RF濾波器的主要專利請人。

GaN技術有望大幅改進電源管理、發電和功率輸出等應用。硅電源開關成功解決了低電壓（<100 伏）或高電壓容差（IGBT 和超結器件）中的效率和開關頻率問題。然而，由于硅的限制，單個硅功率FET中無法提供全部功能。寬帶隙功率晶體管（如GaN和SiC）可以在高壓和高開關頻率條件下提供高功率效率，從而遠遠超過硅MOSFET產品。

由于材料特性的差異，SiC在高于1200V的高電壓、大功率應用具有優勢，而GaN器件更適合40-1200V的高頻應用，尤其是在600V/3KW以下的應用場合。因此，在微型逆變器、伺服器、馬達驅動、UPS 等領域， GaN可以挑戰傳統MOSFET或IGBT器件的地位。GaN 讓電源產品更為輕薄、高效。

在去年三月份<電子發燒友>舉辦的BLDC電機論壇上，就有專家表示十分關注GaN技術的發展，因為GaN技術可以讓BLDC電機控制更加靈活，性能更好。

在汽車電子中，如果使用48V總線系統的話，GaN技術可以幫助提高效率，縮小尺寸，并降低系統成本。

其實一直以來，GaN功率器件都是由EPC、GaN Systems、Transphorm和Navitas此類的純GaN初創公司主導的，他們的產品主要是TSMC、Episil和X-FAB代工生產的。國內的新興代工廠中，三安集成和海威華芯具有量產GaN功率器件的能力。

在近幾年的激烈競爭中，英飛凌和 Transphorm 掌握了最頂級的功率GaN專利。英飛凌的專利最全面，可在各個GaN應用場景進行商業活動。而Transphorm則主攻功率GaN，暫時領先其他競爭廠商。

英飛凌，EPC 和瑞薩目前在積極地進行功率GaN專利的研發和申請。并且，英飛凌和英特爾都在研發將GaN功率器件與其他類型的器件（例如射頻電路和LED和/或Si CMOS 技術）進行單片集成的技術。

此外，GaN也是藍光LED的基礎材料，在MicroLED和紫外激光器中有著重要作用。

其他重要的GaN企業

CREE：全球最大的SiC和GaN器件制造商

Cree（Wolfspeed）在全球LED芯片、LED組件、照明產品、電源轉換和無線通信設備市場中處于領導地位。Cree具備SiC功率器件及GaN射頻器件生產能力，其中SiC功率器件市場，Wolfspeed 擁有全球最大的份額，公司也引領了SiC晶圓尺寸的變化浪潮。在GaN射頻市場，Wolfspeed位居第二。公司的GaN HEMT出貨 量超過1500萬只，并進一步拓展了GaN-on-SiC代工服務。

英飛凌：半導體與系統解決方案提供商

英飛凌提供各種半導體解決方案，包括微控制器，LED 驅動器，傳感器以及汽車和電源管理 IC 等。在2019年6月宣布收購賽普拉斯（Cypress）之后，Infineon 成為全球第八大芯片制造商。

美國國際整流（IR）公司于2010年推出了第一批商用化的GaN產品iP2010和iP2011，用于多相和POL的DC-DC轉換器、開關和服務器等。2013年5月，IR開始了硅基GaN器件的商業化。

2014年9月，英飛凌以30億美元收購了IR，通過此次收購，英飛凌取得了IR的硅基GaN功率半導體技術。

2015年3月，英飛凌和松下達成協議，聯合開發采用松下電器的常閉式硅基GaN晶體管，于英飛凌的表貼（SMD）封裝的GaN器件，推出高能效600V GaN功率器件。松下向英飛凌授予了使用其常閉型GaN晶體管結構的許可。按照協議，兩家公司均可生產高性能GaN器件。

2018年12月份，英飛凌宣布其硅基GaN產品開始量產，在其新聞發布會上，英飛凌發布了采用氮化鎵材料的CoolGaN 400V和600V增強型HEMT產品。

圖8：GaN的技術優勢。

住友電工：全球GaN射頻器件第一大供應商

住友集團具有400年淵源歷史，旗下住友電工（Sumitomo Electric）主要生產GaAs低噪聲放大器（LNA）、 GaN放大器、光收發器及模塊。住友電工為全球GaN射頻器件第一大供應商，同時也是華為GaN射頻器件第一大供應商，住友電工還向華為供應大量的光收發器及模塊，位列華為50大核心供應商之列。住友電工壟斷全球GaN襯底市場，其技術在業內處于領先地位。

意法半導體：與業界聯手搶占GaN汽車電子市場

意法半導體正在將產品組合擴展至GaN領域。在2018年2月份的時候，意法半導體（ST）與MACOM簽署了一份硅基氮化鎵合作開發協議，根據協議，意法半導體為MACOM制造硅基氮化鎵射頻芯片。除了擴大MACOM的貨源外，該協議還授權意法半導體在手機、無線基站和相關商用電信基礎建設之外的射頻市場制造、銷售硅基氮化鎵產品。

2018年9月，意法半導體展示了其在功率GaN方面的研發進展，并宣布將建設一條新產線，生產包括硅基GaN異質外延在內的產品。

并于2018年與CEA-Leti展開功率GaN合作，主要涉及常關型GaN HEMT和GaN二極管設計和研發，這將充分發揮CEA-Leti的IP和意法半導體的專業知識。意法半導體在位于法國格勒諾布爾的CEA-Leti中試線上研發產品，并在技術成熟后轉移至意法半導體的8英寸量產線（也在法國）。

2020年2月21日，意法半導體又攜手TSMC，合作加速氮化鎵工藝技術的開發，并將分離式與整合式氮化鎵元件導入市場。通過此合作，意法半導體將采用TSMC公司的氮化鎵工藝技術來生產其氮化鎵產品。據稱此次合作主要是針對汽車用的氮化鎵產品。

安森美半導體：正在與Transphorm合作

在功率GaN研發方面，安森美正在與Transphorm合作，共同開發和推廣基于GaN的產品和電源系統方案，用于工業、計算機、通信、LED照明及網絡的各種高壓領域。基于同一導通電阻等級，該公司第一代600 V硅基GaN器件已比高壓硅MOSFET提供好4倍以上的門極電荷、更好的輸出電荷、差不多的輸出電容和好20倍以上的反向恢復電荷，通過繼續改進，未來GaN的優勢將會越來越明顯。

松下：解決了很多課題

在GaN開發過程中、松下解決了很多課題。特別是其X-GaN系列，優點突出，主要體現在以下3個方面：

安全（實現常關）；

和Si-MOSFET相同的驅動方法（不容易壞的柵極）；

易于設計（無電流崩塌）。

X-GaN采用HD-GIT結構，從小功率到大功率設備，可提供最合適的封裝選擇。小功率提供DFN6x4，中大功率提供DFN8x8，大功率提供PSOP封裝。

另外，其所有產品都可采用Kelvin Source，可以把源極寄生電感降到最小，實現高頻穩定工作。

結語

隨著5G時代的到來，5G基站的大規模建設對GaN射頻有著巨大的需求，加上國內小米、OPPO等手機廠商在旗艦機型中采用GaN快充，GaN功率芯片的出貨量有望在今年一飛沖天。

GaN之前一直沒能普及，與其高高在上的價格不無關系，而現在，隨著市場需求量增大、大規模生產的實現，以及工藝技術的革新等原因，GaN器件的價格有望走向平民化，這對GaN器件的普及也鋪平了道路。