氮化镓是什么晶体？

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GaN的晶体结构主要有两种，分别是纤锌矿结构与闪锌矿结构。

GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

随着氮化镓(GaN)不断应用在二极管、场效电晶体(MOSFET)等元件上，不少业内专家直言，电力电子产业即将迎来技术的大革命。氮化镓虽然在成本上仍比传统硅元件高出一大截，但其开关速度、切换损失等性能指标，也是硅元件难以望其项背的。特别是近年来随着氮化镓广泛被应用于手机快充、电源以及5G市场，氮化镓即将引领半导体技术革命的呼声越来越高。

有望于手机快充、5G市场起飞

当下，氮化镓的主要应用市场是手机快充、电源产业。近年来手机快充技术不断发展，已成为智能手机标配，而促进其普及的重要推手便是氮化镓组件。德州仪器(TI)电源管理应用经理萧进皇曾表示：“氮化镓材料具有低Qg、Qoss与零Qrr的特性，能为高频电源设计带来效率提升、体积缩小与提升功率密度的优势，因此在服务器、通讯电源及便携设备充电器等领域受到市场相当不错的回响，应用需求也越来越多。”

为了缩短电池充电时间，缩小快充装置，充电器制造商必须改用氮化镓组件来实现产品设计。据了解，氮化镓制程已经吸引台积电等晶圆代工业者投入。戴乐格(Dialog)便是与台积电合作，利用台积电标准化的650V硅上氮化镓(GaN-On-Silicon)制程技术，针对消费性市场推出可大规模量产的解决方案。

此外，无线电通信也非常需要高性能的氮化镓半导体组件。在去年年底举行的MACOM媒体见面会上，MACOM无线产品中心资深总监成钢曾表示，MACOM推出的第四代的氮化镓产品峰值效率达到70%，即是说如果让中国现在所用的4G基站均采用氮化镓而不是传统的LDMOS，按照6毛钱一度电，7x24小时运营来计算，其可为运营商一年节省23亿元电费，如果是效率更低的2G、3G成本将节约更多。

而对于正在落实中的5G通信，氮化镓技术同样起到了极大的推动作用。5G移动通信将从人与人通信拓展到万物互联，预计2025年全球将产生1000亿的连接，需求成长能力十分可观。但显然5G技术的门槛相对更高，不仅需要超带宽，更需要高速接入，低接入时延，低功耗和高可靠性以支持海量设备的互联。而氮化镓器件拥有更高的功率密度、更高效率和更低功耗，刚好能够满足5G通信对于半导体元器件性能的要求。

国企有心无力?急需建立氮化镓产业链

氮化镓作为新一代元件，国内外企业都在积极布局。虽然早在2000年我国便开始了以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体电力电子器件的研发工作。但我国氮化镓核心材料、器件原始创新能力仍相对薄弱，目前氮化镓方面的核心技术主要集中在国外企业手上。

目前国内在只有极少数的公司在氮化镓有深入的研究，更别说具备氮化镓晶片生产能力，其中华为、中兴等巨头都是选择通过与MACOM形成战略合作伙伴关系，并且只是将硅基氮化镓产品应用于打造基站方面。相对于氮化镓的巨大潜力，国内企业似乎陷入了有心无力的僵局。

作为国内乃至全球为数不多的具备氮化镓晶片生产能力的公司，苏州纳维科技总经理徐科认为氮化镓的未来市场是一个数万亿美元的市场，但也指出国内更需要的是建立氮化镓产业链，发展氮化镓的产业链——在整个产业链中，国内在氮化镓基底的器件研发和生产上仍然面临断层。

总的来说，在手机快充的需求带动与5G通信的落实效应下，氮化镓组件的市场前景十分广阔，相信经济规模很快就会出现。在这个机遇时刻，企业要加快布局，不仅要加强研发，推出相关氮化镓组件产品，更要对重要应用市场——手机快充、5G通信、电源等加大投资力度，建立起产业链，同时形成以氮化镓为依靠的半导体产业体系。

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充电头网近日从供应链获悉，国产氮化镓快充研发取得重大突破，三大核心芯片实现自主可控，性能达到国际先进水准。

一、氮化镓快充市场规模

氮化镓（gallium nitride，GaN）是下一代半导体材料，其运行速度比旧式传统硅（Si）技术加快了二十倍，并且能够实现高出三倍的功率，用于尖端快速充电器产品时，可以实现远远超过现有产品的性能，在尺寸相同的情况下，输出功率提高了三倍。

也正是得益于这些性能优势，氮化镓在消费类快充电源市场中有着广泛的应用。充电头网统计数据显示，目前已有数十家主流电源厂商开辟了氮化镓快充产品线，推出的氮化镓快充新品多达数百款。华为、小米、OPPO、魅族、三星、中兴、努比亚、魅族、realme、戴尔、联想等多家知名手机/笔电品牌也先后入局。

另有数据显示，在以电商客户为主的充电器市场，2019年氮化镓功率器件出货量约为300万-400万颗，随着手机以及笔记本电脑渗透率进一步提升，2020年将实现5-6倍增长，总体出货1500-2000万颗，2021年GaN器件的出货量有望达到5000万颗。预计2025年全球GaN快充市场规模将达到600多亿元，市场前景异常可观。

二、氮化镓快充的主要芯片

据了解，在氮化镓快充产品的设计中，主要需要用到三颗核心芯片，分别氮化镓控制器、氮化镓功率器件以及快充协议控制器。目前氮化镓功率器件以及快充协议芯片均已陆续实现了国产化；而相比之下，氮化镓控制芯片的研发就成了国产半导体厂商的薄弱的环节，氮化镓控制器主要依赖进口，主动权也一直掌握在进口品牌手中。

这主要是因为GaN功率器件驱动电压范围很窄，VGS对负压敏感，器件开启电压阈值（VGS-th）低1V~2V左右，极易受干扰而误开启。所以相较传统硅器件而言，驱动氮化镓的驱动器和控制器需要解决更多的技术难题。

此外，目前市面上除了少数内置驱动电路的GaN功率器件对外部驱动器要求较低之外，其他大多数GaN功率器件均需要借助外部驱动电路。

没有内置驱动电路而又要保证氮化镓器件可靠的工作并发挥出它的优异性能，除了需要对驱动电路的高速性能和驱动功耗做重点优化，还必须让驱动器精准稳定的输出驱动电压，保障器件正确关闭与开启，同时需要严格控制主回路上因开关产生的负压对GaN器件的影响。

三、全套国产芯片氮化镓快充问世

东莞市瑞亨电子 科技 有限公司近日成功量产了一款65W氮化镓快充充电器，除了1A1C双口以及折叠插脚等常规的配置外，这也是业界首款基于国产氮化镓控制芯片、国产氮化镓功率器件、以及国产快充协议芯片开发并正式量产的产品。三大核心芯片分别来自南芯半导体、英诺赛科和智融 科技 。

充电头网进一步了解到，瑞亨65W 1A1C氮化镓快充充电器内置的三颗核心芯片分别为南芯的主控芯片SC3021A、英诺赛科氮化镓功率器件INN650D02，以及智融二次降压+协议识别芯片SW3516H。

该充电器支持100-240V~ 50/60Hz输入和双口快充输出，配备最大输出65W的USB-C接口，以及最大30W输出的USB-A接口。

瑞亨65W 1A1C氮化镓快充整机尺寸约为53*53*28mm，功率密度可达0.83W/mm³，与苹果61W充电器修昂相比，体积约缩小了三分之一。

ChargerLAB POWER-Z KT001测得该充电器的USB-A口支持Apple2.4A、Samsung5V2A、QC3.0、QC2.0、AFC、FCP、SCP、PE等协议。

USB-C口支持Apple2.4A、Samsung5V2A、QC3.0、QC2.0、AFC、SCP、PE、PD3.0 PPS等协议。

PDO报文显示充电器的USB-C口支持5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A、3.3-11V 5A。

四、氮化镓快充三大核心芯片自主可控

南芯总部位于上海。南芯SC3021A满足各类高频QR快充需求，采用专有的GaN直驱设计，省去外置驱动器或者分立驱动器件；集成分段式供电模式，单绕组供电，无需复杂的供电电路；内置高压启动及交流输入Brown In/Out功能，集成了X-cap放电功能；SC3021A最高支持170KHz工作频率，适用于绕线式变压器，SC3021B最高支持260KHz工作频率，适用于平面变压器。

南芯SC3021A详细规格资料。

初级侧氮化镓开关管来自英诺赛科，型号INN650D02 ，耐压650V，导阻低至0.2Ω，符合JEDEC标准的工业应用要求，这是整个产品的核心元器件。INN650D02 “InnoGaN”开关管高频特性好，且导通电阻小，适合高频高效的开关电源应用，采用DFN8*8封装，具备超低热阻，散热性能好，适合高功率密度的开关电源应用。

英诺赛科总部在珠海，在珠海、苏州均有生产基地。据了解，INN650D02 “InnoGaN”开关管基于业界领先的8英寸生产加工工艺，是目前市面上最先量产的先进制程氮化镓功率器件，这项技术的大规模商用将推动氮化镓快充的快速普及。

目前，英诺赛科已经在苏州建成了全球最大的集研发、设计、外延生产、芯片制造、测试等于一体的第三代半导体全产业链研发生产平台，满产后将实现月产8英寸硅基氮化镓晶圆65000片，产品将为5G移动通信、数据中心、新能源 汽车 、无人驾驶、手机快充等战略新兴产业的自主创新发展提供核心电子元器件。

英诺赛科InnoGaN系列氮化镓芯片已经开始在消费类电源市场大批量出货，成功进入了努比亚、魅族、Lapo、MOMAX、ROCK、飞频等众多知名品牌快充供应链，并且均得到良好的市场反馈，成为全球GaN功率器件出货量最大的企业之一。

智融总部位于珠海。智融SW3516H是一款高集成度的多快充协议双口充电芯片，支持A+C口任意口快充输出，支持双口独立限流。其集成了 5A 高效率同步降压变换器，支持 PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、低压直充等多种快充协议，CC/CV 模式，以及双口管理逻辑。外围只需少量的器件，即可组成完整的高性能多快充协议双口充电解决方案。

智融SW3516H详细规格资料。

五、行业意义

氮化镓快充三大核心芯片全面国产，一方面是在当前中美贸易摩擦的大背景下，避免关键技术被掐脖子；另一方面，国产半导体厂商可以充分发挥本土企业的优势，进一步降低氮化镓快充的成本，并推动高密度快充电源的普及。在未来的市场争夺战中，全国产的氮化镓快充方案也将成为颇具实力的选手。

相信在不久之后，氮化镓快充产品的价格将会逐渐平民化，以普通硅充电器的价格购买到全新氮化镓快充的愿景也将成为可能。

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