中國工程師最喜歡的10大充電器氮化鎵芯片

氮化鎵（GaN）是一種具有高功率密度的寬禁帶半導體材料，基于這種新型第三代半導體材料能制造出具有超低導通電阻、高擊穿電壓、高功率、高開關頻率和小尺寸的功率半導體器件。隨著GaN技術的發展和制造工藝的逐漸成熟，GaN器件在性能和價格上相對于硅功率器件的優勢越來越明顯，在消費類電源、工業電源、數據中心服務器電源，以及新能源汽車領域都有著巨大的發展潛力。

以快充充電器為主打先鋒的便攜式消費類電源產品已經成為GaN市場的主要驅動力，PI和納微等GaN器件開發商也迎來了快速增長。ASPENCORE《電子工程專輯》分析師團隊從國內外眾多GaN器件廠商中挑選10家公司的主打產品，為電源設計工程師朋友提供選型參考，大家可以在文末通過投票評選出最喜歡的GaN器件。

GaN市場、技術和供應鏈趨勢

Yole最新發布的《2021年GaN市場：外延片、器件、應用和技術趨勢報告》統計數據顯示，2020年GaN市場相對2019年翻了一番（從2070萬增長到4600萬美元）。預計到2026年，GaN市場將達到 11 億美元，其中消費類應用將占GaN市場總量的61%，增長至約6.72億美元，復合年增長率為69％；汽車細分市場將以185%的復合年增長率增長至約 1.55 億美元。

圖一：2020年GaN市場相對2019年翻了一番，PI和納微占據市場主導地位。（來源：Yole）

在消費電源市場，由于小米、聯想、三星、戴爾和LG等多家公司競相發布基于GaN技術的充電器產品，GaN在2020年取得了巨大成功。蘋果也即將以30W GaN充電器入局氮化鎵快充市場，勢必進一步推動GaN市場的增長。Yole 預計，消費類電源市場將成為GaN的主要驅動力。

圖二：GaN市場從2020年到2026年復合增長率高達70%。（來源：Yole）

繼Oppo于2019年底在其Reno Ace旗艦機型的65W快速充電器中采用GaN器件之后，多家手機廠商和充電器供應商都在2020年發布了快充GaN方案設計。GaN在智能手機市場的火爆主要得益于手機對緊湊性、高效率和適配器多功能性需求的推動，快充有望成為GaN功率器件的“殺手級應用”。到目前為止，至少有10家智能手機廠商推出了超過18 款配備氮化鎵充電器的手機。隨著蘋果、小米和三星等手機廠商選擇開箱即用的GaN充電器解決方案，這種增長也將在手機配件售后市場繼續。圖三：GaN功率器件的未來發展線路。（來源：Yole）

伴隨著手機快充市場的火爆，PI和納微（Navitas）成為這一市場趨勢的主要受益者，兩家公司的2020年GaN市場份額合計超過50%。越來越多的新參與者攜硅基GaN E-mode技術進入這一市場，比如國產廠商氮矽科技。

增強型（E-mode）GaN HEMT具有無體二極管、零反向恢復電荷以及高開關頻率（>10MHz）的優點。但由于異質結構帶來的熱和晶格失配，氮化鎵器件的動態參數存在“漂移”問題，下圖為氮化鎵器件Rdson在ZVS以及HSW信號下隨電壓變換的測試數據：

圖四：氮化鎵器件Rdson在ZVS和HSW信號下隨電壓變換的測試數據。（來源：氮矽科技）

由上圖可看出，氮化鎵器件Rdson在動態開關動作下會隨著電壓“漂移”。對比國外公司的同類氮化鎵器件，氮矽科技開發的GaN HEMT在ZVS模式下表現突出，漂移率穩定在10%左右，而在HSW模式下亦控制在40%以下，這意味在使用同等Rdson器件的條件下發熱表現會更優，更易通過全球安規標準審核。

硅基GaN被認為是未來幾年擴大GaN制造產能的主要平臺。然而，對于更大的晶片尺寸，外延片仍然存在一些挑戰。為提高GaN器件制造能力和進一步降低成本，業界在GaN外延片和晶圓廠層面進行了一些顯著投資。意法半導體通過與臺積電合作以及收購 Exagan的多數股權，鞏固了其在氮化鎵市場的地位和產品組合；德州儀器 (TI) 和 GaN Systems最近對其 GaN 器件進行了汽車應用認證；EPC、Transphorm 和英飛凌都在抓緊往各自擅長的應用領域滲透。

Yole 預測，從2025到2030年，電信和數據中心、新能源汽車，以及工業應用將成為GaN 器件的主要驅動力。

氮化鎵快充市場增長快速

USB PD快充的普及與氮化鎵技術的成熟加速了消費類電源的更新換代。據相關統計數據顯示，在以電商客戶為主的充電器市場，2019年氮化鎵功率器件出貨量約為300萬-400萬顆。隨著手機和筆記本電腦滲透率進一步提升，2020年實現了5-6倍的增長，總體出貨達1500-2000萬顆。預計2021年GaN器件的出貨量將達到5000萬顆，2025年全球GaN快充市場規模將達到600億元。

氮化鎵快充產品種類繁多：功率等級從30W到240W不等，還有單口和多口輸出供選擇。充電器形狀、體積和外觀各異，其中聯想口紅頭系列、OPPO餅干超閃充、小米33W超小方形頭等深受消費者喜愛。2021年，因蘋果取消附送充電器，各充電器廠商紛紛推出30W系列快充，以搶占蘋果快充市場。

比如，小米這款33W（AG33G）氮化鎵快充體積31cm3、功率密度高達1.05W/cm3，是目前市場上體積最小的氮化鎵快充產品之一。

2020年部分氮化鎵快充頭的價格統計如下表所示。功率越低快充頭輸出口越少，功率越高快充頭輸出口越多；一般低功率充電頭的價格低于高功率的價格。

2020年氮化鎵快充頭價格表

影響氮化鎵快充頭價格的主要因素包括：品牌、外觀和實用性。氮化鎵快充市場將繼續朝著體積小、功率密度大、效率高、價格低的方向發展。

工程師最喜歡的Top 10 GaN芯片

下面詳細列出10家氮化鎵器件開發商的10款GaN器件性能參數和功能特性，閱讀完請在文末投票，選擇你最喜歡的GaN芯片型號和廠商。

氮矽科技DX6510C和DX6510D

DX6510D是氮矽科技于2020年11月推出的一款小型650V/160mΩ E-mode GaN HEMT器件（PDDFN4x4），采用全新自研板級封裝（PDDFN）、雙面散熱，其散熱能力遠超同尺寸DFN。此外，該公司還推出了多款量產級E-mode GaN HEMT并搭配DFN5x6、DFN8x8等多種封裝，以滿足客戶各種需求。

氮矽科技還開發了多款USB PD快充參考方案：單口至多口，65W至120W各種功率等級供客戶選擇。下圖所示為氮矽科技標準65W 2C1A口紅頭展示方案：

該方案采用Flyback QR拓撲，尺寸為64.5x32x 28.2（mm），功率密度達到1.12W/cm3，與目前市場所售新型口紅頭式氮化鎵PD快充體積相當。它搭載了氮矽科技DX6510C（160mΩ，DFN5x6）芯片，初次級控制采用南芯SC3022和SC3503芯片，做到了全國產化。此外，其AC-DC部分SMD元件無0402封裝，更易生產，直通率更高，同時DIP元件無特殊加工，更易生產和維修。

由于氮矽科技的芯片動態Ron漂移不明顯，在GaN器件上此方案溫度表現出色，在220V條件下AC-DC滿載轉換效率上可以達到94%。在搭載全國產芯片的前提下，此方案在EMI/EMC方面表現依然良好，留有超過10dB余量。

下圖所示為氮矽科技為滿足客戶出口產品全球安規標準所量身定制的65W 1C1A方塊頭設計Demo：

此demo在保證EMI/EMC以及進一步提高功率密度到1.16W/cm3的同時，重新設計了散熱結構，使整機達到了全球安規認可水平。該設計方案的體積為49X47X24.2mm，做到了過全球安規認證的65W氮化鎵快充最小體積。

USB-IF協會近期公布了全新USB-C 240W PD標準，新標準可以為高性能筆記本或其他設備提供更高功率，氮化鎵在PD高功率端的應用也將迎來質的飛躍。氮矽科技為此量身打造了一款120W 2C1A產品，如下圖：

此產品在PFC端采用一顆DX6510D和一顆SiC SBD，控制方面使用安森美NCP1616作為PFC控制器，在LLC端采用兩顆DX6510D以及安森美NCP13992。值得注意的是，在高頻條件下，氮化鎵器件閾值電壓Vth也存在不穩定漂移的現象，而由此導致的MOS管誤開啟對LLC拓撲是致命的。為此該設計方案在橋臂MOS柵極前端采用了自主研發的強拉斷電路，不僅保證了產品安全，同時對比采用負壓關斷有更高的效率和更優的溫度表現。

英飛凌600V CoolGaN半橋式IPS IGI60F1414A1L

英飛凌新推出的集成式功率級（IPS）產品CoolGaN IPS系列成為旗下眾多WBG功率元件組合的最新產品。IPS基本的產品組合包括半橋和單通道產品，目標市場為低功率至中功率的應用，例如充電器、適配器以及其他開關電源（SMPS）。

該系列的代表產品600V CoolGaN半橋式IPS IGI60F1414A1L適合低功率至中功率范圍、小型輕量化的設計應用。外觀為8x8 QFN-28封裝型式，針對散熱效能進行強化，可為系統提供極高的功率密度。此產品包含兩個140mΩ/600V CoolGaN增強型（e-mode）HEMT開關，以及英飛凌EiceDRIVER系列中的電氣隔離專用高低側柵極驅動器。

隔離柵極驅動器擁有兩個數字PWM輸入，讓IGI60F1414A1L更易于控制。為了達到縮短開發時間、減少系統物料清單項目和降低總成本等目標，利用集成隔離功能、明確分隔數字和電源接地以及簡化PCB配置等，皆是不可或缺的要素。柵極驅動器采用英飛凌的單芯片無磁芯變壓器（CT）技術，將輸入與輸出有效隔離。即便在電壓上升或下降速率超過150V/ns的超快速切換瞬時下，仍可確保高速特性和杰出的穩定性。

IGI60F1414A1L的切換特性可以簡易地根據不同的應用借由一些柵極路徑的被動元件諸如阻容器件實現。例如，此特性可使電流或電壓速率優化，以降低電磁干擾（EMI）效應、穩態柵極電流調整和負柵極電壓驅動，在硬切換開關應用中穩定運行。

此外，系統級封裝集成和柵極驅動器具備的高精度和穩定的傳輸延遲，可讓IGI60F1414A1L提供最低的系統死區時間。這將有助于系統效率極大化，使充電器和適配器解決方案的功率密度提升至更高水平，達到35W/in3。靈活、簡單及快速的設計特色，也適用于如LLC諧振拓撲結構、馬達驅動器等其他應用。

青島聚能創芯CGL65R190B和CGL65R150B

賽微電子旗下公司聚能創芯的GaN功率器件包括增強型GaN功率器件、級聯型GaN功率器件，以及GaN功率集成電路。其中，650V增強型GaN功率器件系列覆蓋10-30 A不同輸出電流，適合PD快充、智能家電、基站和服務器等終端應用。CGL65R190B和CGL65R150B兩款產品在65-120 W PD快充領域得到了良好的市場反響。

CGL65R190B是增強型硅基氮化鎵功率晶體管，具有高電壓擊穿和高開關頻率。由于RDS(ON) 和 Qg都很低，其傳導和開關功率損耗都可以做到很低，從而提供比硅功率晶體管更高的效率。

其功能特性包括：超快切換；無反向恢復充電；可反向導通；低柵極電荷，低輸出電荷；符合 JEDEC 標準級應用的要求。

意法半導體MasterGaN1

意法半導體（ST）有三款MasterGaN器件，其內部集成了兩顆GaN開關管及驅動器，組成半橋器件，采用先進的系統級功率封裝，可輸入邏輯電壓信號輕松控制器件。ST MasterGaN系列均為半橋器件，內置650V耐壓的增強型氮化鎵開關管，支持工作溫度范圍為-40°C至125°C。

MASTERGAN1內部集成半橋驅動器和兩顆耐壓650V、導阻150mΩ的高壓GaN開關管，集成在9*9*1mm的QFN封裝內。對稱半橋、工作電流10A、低側和高側均具有欠壓關閉保護。驅動器內置自舉二極管，具有互鎖功能，且具有準確的內部定時匹配。配置有獨立的關斷引腳，具有滯回和下拉的3.3-15V輸入信號。外圍元器件精簡，具有非常緊湊和簡便的布局，可實現靈活快捷的設計。

MASTERGAN1在上下驅動部分均具有UVLO保護，可防止電源開關在低效率或危險條件下運行，并且互鎖功能可避免交叉傳導情況。輸入引腳的擴展范圍可與微控制器、DSP單元或霍爾效應傳感器輕松連接。

蘇州量芯微GaNPower 650V氮化鎵功率器件

量芯微的650V增強型氮化鎵功率器件及集成驅動氮化鎵功率IC適用于45W到300W的各種快充適配器，可提供DFN5x6和DFN8x8 封裝。

該公司提供多種適配器解決方案，包括65W單C口，1C+1A口；120W 2C+1A口；150W到220W適配器等。拓撲結構包括傳統的QR準諧振，以及自主創新的65W/120W數字LLC技術，能最大化功率密度并提升效率。

GaN Systems GS-065-011-1-L 氮化鎵晶體管

GaN Systems（氮化鎵系統）公司最新發布的100W雙USB-C智能PD 氮化鎵充電器可以支持從單口100W設備，到支持兩口65W和30W設備或兩口45W或30W設備，從而適時地為各種插入設備功率級別組合供電。此外，當功率低于某個閾值時，該充電器方案會切換到更高效率的模式，以進一步提高性能并減少自身損耗。

100W充電器參考設計使用該公司的 GS-065-011-1-L 氮化鎵晶體管，這是一種增強型硅基氮化鎵功率晶體管。GaN具有高電流、高電壓擊穿和高開關頻率等特點。它是一款底部冷卻晶體管，采用 5×6 毫米 PDFN 封裝，可提供低結殼熱阻。這些特性結合起來可以提供非常高效率的電源開關。

GS-065-011-1-L具有以下性能和特性：超高功率密度：> 16W/in3；帶有外殼和可折疊輸入插腳；靈活智能的配電：雙USB-C端口支持通用USB-C協議和靈活的插入式終端設備；峰值效率：>92.5％；符合安全IEC62368-1觸摸溫度要求；帶功率因數校正（PFC）電路并滿足IEC61000-3-2的電力線諧波要求。

英諾賽科InnoGaN系列INN650DA04

英諾賽科InnoGaN系列第二代新品INN650DA04具備高頻高效、極低損耗、快速主動散熱等特點，采用DFN5*6封裝。基于InoGaN技術，英諾賽科發布了30W快充方案。與傳統方案相比，其方案功率密度提高一倍，最大效率可提升9%左右，損耗更小，體積更小，性價比更高。

英諾賽科30W氮化鎵快充方案無論是在90ac、115Vac輸入還是230Vac、264Vac輸入，其效率均在92%以上。方案采用如下芯片：INN650DA04（GaN）+ SC3021（直驅GaN IC）+ SC3503（同步整流），以及HUSB339（協議）。

英諾賽科擁有8英寸增強型硅基氮化鎵功率器件量產線及先進的研發品控分析能力，InnoGaN系列的整體性能、成本、產能均可以得到很好的把控。

納微GaNFast NV6125

納微GaNFast NV6125是該公司流行的NV6115功率器件的熱增強型號，專門針對高頻和軟開關拓撲進行了優化。NV6125內置驅動器，175mΩ導阻，耐壓650V，支持2MHz開關頻率，適用于升壓、降壓、半橋、全橋開關電源等諸多應用場合。目前采用該芯片的充電器設計有聯想thinkplus 65W氮化鎵口紅電源Pro、聯想90W閃充雙口氮化鎵充電器、thinkplus 65W氮化鎵快充、鴻達順65W 2C1A氮化鎵快充等多款產品。

NV6125具有如下功能特性：大型散熱墊；使用CS電阻器時增強散熱；單片集成柵極驅動；寬 VCC 范圍（10 至 30 V）；可編程開啟 dV/dt；200 V/ns dV/dt 抗擾度；800 V 瞬態電壓額定值；650 V 連續額定電壓；低 175 mΩ 電阻；零反向恢復充電；ESD 保護 – 2,000 V (HBM)、1,000 V (CDM)；2 MHz工作頻率。

NV6125可支持：交流-直流、直流-直流、直流-交流轉換；降壓、升壓、半橋、全橋；有源鉗位反激、LLC 諧振、D類、準諧振反激等拓撲。其應用領域包括：移動快速充電器、適配器、筆記本適配器、LED 照明、太陽能微型逆變器、電視/顯示器、無線電源、服務器、電信和網絡SMPS等。

安徽東科半導體DKG045Q和DKG065Q

東科半導體推出了兩款合封氮化鎵功率器件的電源主控芯片DKG045Q和DKG065Q，分別適用于45W氮化鎵快充和65W氮化鎵快充，從而實現高集成、小體積的快充電源設計。

東科DKG045Q內部集成了650V/200mΩ導阻的GaN HEMT、邏輯控制器、GaN驅動器和高壓啟動管，采用反激方式，DFN5x6mm封裝，輸出功率45W，最高工作頻率150KHz。

相比傳統控制器+驅動器+GaN的電路，采用東科DKG045Q只需要一顆芯片即可完成原有三顆芯片才能完成的功能，電源系統設計更加簡潔化。同時東科DKG045Q還具有多種操作模式，可以降低待機功耗，提高輕載效率，并且芯片還內置完善的保護功能，增加系統可靠性。

東科DKG065Q采用QFN8*8封裝，內部集成來自英諾賽科的650V/130mΩ導阻的GaN HEMT、邏輯控制器、GaN驅動器和高壓啟動管，采用反激架構，支持最大65W的輸出功率，最高工作頻率140KHz。

PI InnoSwitch3-Pro

PI新推出了多款超小型20W-30W USB PD快充電源參考設計。這些參考設計均采用InnoSwitch3-Pro芯片，其AC-DC轉換效率比一般分立元件高出2-3%。該芯片內部集成了PWM主控芯片、650V功率器件、同步整流控制器等主要功能，電源設計工程師只需要搭配一些必要的被動元器件和協議芯片，即可完成高性能快充產品的設計，從而加速產品上市周期并節約開發成本。

InnoSwitch3-Pro系列芯片內置SenseFET無損檢測電路，相比傳統分立器件的原邊檢測能夠降低損耗，提升效率。同時為了讓每個器件達到最佳的性能，該芯片還集成了FluxLink技術，可以實現初級和次級的實時通信。通過次級控制器控制原邊的開關，最大程度的控制同步整流MOS導通時間，實現最高效率。

InnoSwitch3-Pro系列IC可極大簡化全數控高效率電源的開發，尤其是那些采用緊湊外殼的電源。通用的I2C可實現輸出電壓及電流的動態控制，并且提供其他可動態設定的保護功能。遙測技術可提供可設定功能和故障模式的報告。

InnoSwitch3-Pro器件適合輸出電壓及電流需要精確(10 mV, 50 mA)調整的AC/DC電源應用。其典型的實現方案包括一個系統微處理器或專用微處理器，其I2C端口可用于配置、控制和監測電源子系統的運行情況。uVCC引腳在獨立方案（如USB PD適配器或充電器）中為微處理器提供偏置供電。

InnoSwitch3-Pro功能特性如下：通過I2C接口實現數控；動態調整電源電壓及電流；通過處理器中斷實現遙測狀態回讀；可實現對各種功能的設定；PowiGaN 技術；高達100 W輸出，無需散熱片；INN3378，INN3379和INN3370高度集成，外形緊湊；多模式準諧振(QR)/CCM反激式控制器、高壓開關、次級側檢測和同步整流驅動器；可在所有輸入電壓及負載下實現效率的優化；反饋方式采用內部集成的FluxLink™技術，且滿足HIPOT（高壓絕緣）要求；即時快速的動態響應；可驅動低成本的N溝道FET串聯負載開關；集成了3.6 V電源，用于為外部微控制器(MCU)供電；4.7 Ω SR下拉電阻 (僅限 H302 器件)；在輸入電壓檢測和MCU工作的情況下空載功耗低于30 mW。

該芯片適合如下應用：高效率USB PD 3.0 + PPS/QC適配器；多協議適配器，包括QuickCharge、AFC、FCP、SCP；直充移動設備充電器；多化學類型工具充電器和通用電池充電器；可調恒壓及恒流LED鎮流器設計。