小米發(fā)布GaN充電器，2020年將是GaN的起飛之年

2月13日，小米舉辦的小米10線上發(fā)布會(huì)上，除了手機(jī)，還有兩個(gè)很有亮點(diǎn)的產(chǎn)品，一個(gè)是支持WiFi6的路由器，還有一個(gè)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(shí)從2018年開始就陸續(xù)有廠商推出了GaN充電器，只是在國內(nèi)沒開發(fā)布會(huì)而已。比如在2020年的CES上，參展的GaN充電器已經(jīng)多達(dá)66款，涵蓋了18W、30W、65W和100W等多個(gè)功率。

圖1：雷軍在小米10在線發(fā)布會(huì)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(guān)注GaN，并將之應(yīng)用到自己的產(chǎn)品中呢？因?yàn)镚aN是一種更新型的半導(dǎo)體材料，它與碳化硅（SiC）一起被成為“第三代半導(dǎo)體材料”，與硅、砷化鎵等傳統(tǒng)的半導(dǎo)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(shí)大于200V)；能夠承受高的輸入/輸出錯(cuò)配(通常>15：1VSWR)；具有更高的結(jié)溫，平均無故障時(shí)間為一百萬個(gè)小時(shí)。

此外，它還具有熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強(qiáng)度和高硬度等特性。

圖2：GaN技術(shù)成熟度曲線。

根據(jù)Gartner繪制的GaN技術(shù)成熟度曲線，GaN產(chǎn)品目前處于技術(shù)成熟度曲線的第二個(gè)攀升階段，也就是說它的熱潮時(shí)間段已經(jīng)過去，走出了泡沫化的低谷期，已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)步爬升的光明期，現(xiàn)在正是氮化鎵產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的良機(jī)。

隨著GaN技術(shù)獲得突破，成本得到控制，除了射頻微波領(lǐng)域，它還被廣泛應(yīng)用到了消費(fèi)類電子等領(lǐng)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(fā)熱量、效率轉(zhuǎn)換上相比普通充電器也有更大的優(yōu)勢，大大的提升了用戶的使用體驗(yàn)。

圖3：GaN半導(dǎo)體材料的特性。

PI公司資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光曾在利用PowiGaN開關(guān)技術(shù)擴(kuò)展的InnoSwitch3 IC產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上介紹說，用GaN開關(guān)替代硅MOSFET，可以極大地降低開關(guān)損耗，從而可以提高系統(tǒng)的效率；另外，由于GaN可以工作在高頻段，因此可以使得整個(gè)電路的開關(guān)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(chǎn)品的功率密度，讓產(chǎn)品的體積可以做得更小，效率做得更高。同時(shí)，因?yàn)樾侍岣吡?，散熱也更好處理，有些產(chǎn)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(jù)公開資料顯示，小米這款65W氮化鎵充電器型號(hào)的為AD65G，支持100-240V @ 50/60Hz全球電壓輸入；配備一個(gè)USB-C接口，支持USB PD3.0快速充電協(xié)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(shè)計(jì)，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(dǎo)體發(fā)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(dǎo)體的NV6115和NV6117 GaNFast功率IC，它們針對高頻、軟開關(guān)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，通過FET、驅(qū)動(dòng)器和邏輯的單片集成，創(chuàng)建了非常小并且非?？斓囊子谑褂玫?“數(shù)字輸入，電源輸出” 高性能電源轉(zhuǎn)化模塊。使用GaNFast技術(shù)，小米65W GaN充電器的尺寸為56.3×30.8×30.8mm（53 cc），是小米10Pro標(biāo)配適配器的一半大小。

而納微半導(dǎo)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(qiáng)大且不斷增長的功率半導(dǎo)體行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)，在材料、器件、 應(yīng)用程序、系統(tǒng)和營銷及創(chuàng)新成功記錄的領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)豐富。此外，其多位創(chuàng)始人總共加起來擁有超過200項(xiàng)專利。

從其官網(wǎng)上，我們可以看到，該公司總共發(fā)布了三款GaNFast產(chǎn)品，分別是NV6113、NV6115和NV6117。

圖5：納微半導(dǎo)體的三款GaN產(chǎn)品。（來源：納微半導(dǎo)體官網(wǎng)）

當(dāng)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(guān)。由于GaN功率芯片采用的是異質(zhì)外延材料，在設(shè)計(jì)和制造工藝上都有極大的挑戰(zhàn)，因此全球范圍內(nèi)成熟可量產(chǎn)的GaN產(chǎn)線其實(shí)并不多。

現(xiàn)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(dǎo)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(shù)據(jù)來源：充電頭網(wǎng)）

*IDM: Integrated Design Manufacturer，集成設(shè)計(jì)制造商，既有IC設(shè)計(jì)能力也有IC制造能力的公司

**Fabless：無晶圓廠的IC設(shè)計(jì)公司，只負(fù)責(zé)IC的設(shè)計(jì)，不負(fù)責(zé)IC的制造生產(chǎn)，一般其IC交由專業(yè)的代工廠進(jìn)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(yīng)商。其PowGaN品牌的GaN產(chǎn)品是2019年9月正式推出的，其實(shí)在品牌正式推出前，PI的GaN功率芯片已經(jīng)在給客戶出貨了。

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

目前 PI共有四款產(chǎn)品采用PowiGaN技術(shù)。分別是：

InnoSwitch3-Pro - 適合可動(dòng)態(tài)控制電壓及電流的電源應(yīng)用；

InnoSwitch3-EP - 適合敞開式環(huán)境的電源應(yīng)用；

InnoSwitch3-CP - 適合需要恒功率輸出特性的充電應(yīng)用；

LYTSwitch-6 - 適合LED 照明及鎮(zhèn)流器應(yīng)用。

另外一家英諾賽科（Innoscience）是一家國產(chǎn)硅基氮化鎵廠商，它由海歸團(tuán)隊(duì)于2015年12月發(fā)起并成立。公司一期項(xiàng)目坐落于珠海市國家級高新區(qū)，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(qiáng)型硅基氮化鎵功率器件量產(chǎn)線，2018年6月發(fā)布8英寸硅基氮化鎵WLCSP功率產(chǎn)品。二期項(xiàng)目坐落于蘇州市吳江汾湖高新區(qū)， 占地24.5萬平米，于2018年6月開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2020年投入生產(chǎn)。

英諾賽科采用了集研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、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(jìn)行戰(zhàn)略投入， 建立了自有分析平臺(tái)。它主要生產(chǎn)30V-650V氮化鎵功率器件、功率模塊和射頻器件等產(chǎn)品。公司目前有單管GaN FET、半橋GaN FET和GaN IC三大類產(chǎn)品。

GaN還有哪些應(yīng)用及玩家？

GaN除了可以應(yīng)用在快充領(lǐng)域，在射頻、汽車電子和光電子領(lǐng)域也應(yīng)用較為廣泛。自 20 年前出現(xiàn)首批商業(yè)產(chǎn)品以來，GaN 已成為射頻功率應(yīng)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(shí)出現(xiàn)，但SiC基GaN技術(shù)更加成熟，目前在射頻GaN市場上占主導(dǎo)地位的是SiC基GaN產(chǎn)品，尤其是隨著5G的到來，GaN將會(huì)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(jìn)的企業(yè)。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2019 年全球3750多項(xiàng)專利一共可分為1700多個(gè)專利家族。這些專利涉及RF GaN外延、RF半導(dǎo)體器件、集成電路和封裝等。Cree（Wolfspeed）擁有最強(qiáng)的專利實(shí)力，在RF應(yīng)用的GaN HEMT專利競爭中，尤其在SiC基GaN技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)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(shù)領(lǐng)域。GaN RF HEMT相關(guān)專利領(lǐng)域的新進(jìn)入者主要是中國廠商，例如 HiWafer（海威華芯），三安集成、華進(jìn)創(chuàng)威。

圖7：GaN射頻市場重要玩家的專利實(shí)力。（來源：Yole）

與硅基GaN射頻相關(guān)的專利自2011年以來一直穩(wěn)定增長，與 SiC基GaN相關(guān)的專利則一直在波動(dòng)。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(jī)。

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

GaN技術(shù)有望大幅改進(jìn)電源管理、發(fā)電和功率輸出等應(yīng)用。硅電源開關(guān)成功解決了低電壓（<100 伏）或高電壓容差（IGBT 和超結(jié)器件）中的效率和開關(guān)頻率問題。然而，由于硅的限制，單個(gè)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(guān)頻率條件下提供高功率效率，從而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅MOSFET產(chǎn)品。

由于材料特性的差異，SiC在高于1200V的高電壓、大功率應(yīng)用具有優(yōu)勢，而GaN器件更適合40-1200V的高頻應(yīng)用，尤其是在600V/3KW以下的應(yīng)用場合。因此，在微型逆變器、伺服器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS 等領(lǐng)域， GaN可以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)MOSFET或IGBT器件的地位。GaN 讓電源產(chǎn)品更為輕薄、高效。

在去年三月份<電子發(fā)燒友>舉辦的BLDC電機(jī)論壇上，就有專家表示十分關(guān)注GaN技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)镚aN技術(shù)可以讓BLDC電機(jī)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(tǒng)的話，GaN技術(shù)可以幫助提高效率，縮小尺寸，并降低系統(tǒng)成本。

其實(shí)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(chuàng)公司主導(dǎo)的，他們的產(chǎn)品主要是TSMC、Episil和X-FAB代工生產(chǎn)的。國內(nèi)的新興代工廠中，三安集成和海威華芯具有量產(chǎn)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(gè)GaN應(yīng)用場景進(jìn)行商業(yè)活動(dòng)。而Transphorm則主攻功率GaN，暫時(shí)領(lǐng)先其他競爭廠商。

英飛凌，EPC 和瑞薩目前在積極地進(jìn)行功率GaN專利的研發(fā)和申請。并且，英飛凌和英特爾都在研發(fā)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(shù)）進(jìn)行單片集成的技術(shù)。

此外，GaN也是藍(lán)光LED的基礎(chǔ)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(yè)

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(chǎn)品、電源轉(zhuǎn)換和無線通信設(shè)備市場中處于領(lǐng)導(dǎo)地位。Cree具備SiC功率器件及GaN射頻器件生產(chǎn)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(lǐng)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(jìn)一步拓展了GaN-on-SiC代工服務(wù)。

英飛凌：半導(dǎo)體與系統(tǒng)解決方案提供商

英飛凌提供各種半導(dǎo)體解決方案，包括微控制器，LED 驅(qū)動(dòng)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(chǎn)品iP2010和iP2011，用于多相和POL的DC-DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)和服務(wù)器等。2013年5月，IR開始了硅基GaN器件的商業(yè)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(dǎo)體技術(shù)。

2015年3月，英飛凌和松下達(dá)成協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)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(jié)構(gòu)的許可。按照協(xié)議，兩家公司均可生產(chǎn)高性能GaN器件。

2018年12月份，英飛凌宣布其硅基GaN產(chǎn)品開始量產(chǎn)，在其新聞發(fā)布會(huì)上，英飛凌發(fā)布了采用氮化鎵材料的CoolGaN 400V和600V增強(qiáng)型HEMT產(chǎn)品。

圖8：GaN的技術(shù)優(yōu)勢。

住友電工：全球GaN射頻器件第一大供應(yīng)商

住友集團(tuán)具有400年淵源歷史，旗下住友電工（Sumitomo Electric）主要生產(chǎn)GaAs低噪聲放大器（LNA）、 GaN放大器、光收發(fā)器及模塊。住友電工為全球GaN射頻器件第一大供應(yīng)商，同時(shí)也是華為GaN射頻器件第一大供應(yīng)商，住友電工還向華為供應(yīng)大量的光收發(fā)器及模塊，位列華為50大核心供應(yīng)商之列。住友電工壟斷全球GaN襯底市場，其技術(shù)在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

意法半導(dǎo)體：與業(yè)界聯(lián)手搶占GaN汽車電子市場

意法半導(dǎo)體正在將產(chǎn)品組合擴(kuò)展至GaN領(lǐng)域。在2018年2月份的時(shí)候，意法半導(dǎo)體（ST）與MACOM簽署了一份硅基氮化鎵合作開發(fā)協(xié)議，根據(jù)協(xié)議，意法半導(dǎo)體為MACOM制造硅基氮化鎵射頻芯片。除了擴(kuò)大MACOM的貨源外，該協(xié)議還授權(quán)意法半導(dǎo)體在手機(jī)、無線基站和相關(guān)商用電信基礎(chǔ)建設(shè)之外的射頻市場制造、銷售硅基氮化鎵產(chǎn)品。

2018年9月，意法半導(dǎo)體展示了其在功率GaN方面的研發(fā)進(jìn)展，并宣布將建設(shè)一條新產(chǎn)線，生產(chǎn)包括硅基GaN異質(zhì)外延在內(nèi)的產(chǎn)品。

并于2018年與CEA-Leti展開功率GaN合作，主要涉及常關(guān)型GaN HEMT和GaN二極管設(shè)計(jì)和研發(fā)，這將充分發(fā)揮CEA-Leti的IP和意法半導(dǎo)體的專業(yè)知識(shí)。意法半導(dǎo)體在位于法國格勒諾布爾的CEA-Leti中試線上研發(fā)產(chǎn)品，并在技術(shù)成熟后轉(zhuǎn)移至意法半導(dǎo)體的8英寸量產(chǎn)線（也在法國）。

2020年2月21日，意法半導(dǎo)體又?jǐn)y手TSMC，合作加速氮化鎵工藝技術(shù)的開發(fā)，并將分離式與整合式氮化鎵元件導(dǎo)入市場。通過此合作，意法半導(dǎo)體將采用TSMC公司的氮化鎵工藝技術(shù)來生產(chǎn)其氮化鎵產(chǎn)品。據(jù)稱此次合作主要是針對汽車用的氮化鎵產(chǎn)品。

安森美半導(dǎo)體：正在與Transphorm合作

在功率GaN研發(fā)方面，安森美正在與Transphorm合作，共同開發(fā)和推廣基于GaN的產(chǎn)品和電源系統(tǒng)方案，用于工業(yè)、計(jì)算機(jī)、通信、LED照明及網(wǎng)絡(luò)的各種高壓領(lǐng)域?；谕粚?dǎo)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(fù)電荷，通過繼續(xù)改進(jìn)，未來GaN的優(yōu)勢將會(huì)越來越明顯。

松下：解決了很多課題

在GaN開發(fā)過程中、松下解決了很多課題。特別是其X-GaN系列，優(yōu)點(diǎn)突出，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

安全（實(shí)現(xiàn)常關(guān)）；

和Si-MOSFET相同的驅(qū)動(dòng)方法（不容易壞的柵極）；

易于設(shè)計(jì)（無電流崩塌）。

X-GaN采用HD-GIT結(jié)構(gòu)，從小功率到大功率設(shè)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(chǎn)品都可采用Kelvin Source，可以把源極寄生電感降到最小，實(shí)現(xiàn)高頻穩(wěn)定工作。

結(jié)語

隨著5G時(shí)代的到來，5G基站的大規(guī)模建設(shè)對GaN射頻有著巨大的需求，加上國內(nèi)小米、OPPO等手機(jī)廠商在旗艦機(jī)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(jià)格不無關(guān)系，而現(xiàn)在，隨著市場需求量增大、大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，以及工藝技術(shù)的革新等原因，GaN器件的價(jià)格有望走向平民化，這對GaN器件的普及也鋪平了道路。