氮化鎵繼消費領(lǐng)域之后再瞄準汽車(chē)市場(chǎng)

氮化鎵并非一個(gè)新概念，其分子式GaN，是一種直接能隙的半導體材料，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。2019年，氮化鎵作為第三代半導體的主要材料之一首次進(jìn)入主流消費應用，并在2020年因小米發(fā)布會(huì )發(fā)布小米GaN充電器而引發(fā)廣泛關(guān)注。

市場(chǎng)調研機構Yole Development預測稱(chēng)，若未來(lái)蘋(píng)果等頭部手機廠(chǎng)商采用GaN，那么到2023年，GaN電源市場(chǎng)規模將達到4.23億美元，復合年均增長(cháng)率達93％，有極大增長(cháng)空間。需要注意的是，氮化鎵的應用領(lǐng)域遠不止消費電子領(lǐng)域，消費類(lèi)、汽車(chē)類(lèi)與工業(yè)類(lèi)是未來(lái)重點(diǎn)投入方向。

憑借開(kāi)關(guān)速度快、功率密度高、耐高壓、高頻等特點(diǎn)，氮化鎵的市場(chǎng)接受度和行業(yè)景氣度正在迅速攀升。

氮化鎵的“上車(chē)”機會(huì )

近年來(lái)，氮化鎵器件通過(guò)性能優(yōu)化、產(chǎn)能提升、成本控制，逐漸應用于消費領(lǐng)域，快充尤其成為氮化鎵在消費市場(chǎng)的引爆點(diǎn)。相比傳統硅器件，氮化鎵快充能夠顯著(zhù)提升充電速度，并降低系統待機狀態(tài)的電量消耗。除了手機充電器，平面電視、游戲機、平板等追求輕量化的緊湊型終端，也為氮化鎵器件提供了每年20億美元的銷(xiāo)售規模。

隨著(zhù)汽車(chē)電動(dòng)化、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的不斷增長(cháng)，基于氮化鎵的產(chǎn)品應用正逐步拓展，將推動(dòng)2021年及未來(lái)功率半導體的需求增長(cháng)。在電動(dòng)化對功率器件要求越來(lái)越高的背景下，未來(lái)在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)上，將有更多的第三代半導體器件出現。

目前，在特斯拉的的領(lǐng)頭效應下，全球范圍內已有不少車(chē)企和tier1企業(yè)布局基于SiC的車(chē)用第三代半導體功率器件。

汽車(chē)電子被預測是氮化鎵的下一個(gè)藍海市場(chǎng) —— 在嘗到消費領(lǐng)域快充的甜頭后，在電動(dòng)車(chē)快速成長(cháng)，以及提高充電效率需求的帶動(dòng)下，GaN功率器件廠(chǎng)商也開(kāi)始積極開(kāi)發(fā)汽車(chē)領(lǐng)域。利用氮化鎵可以將汽車(chē)的車(chē)載充電器（OBC）、DC-DC轉換器做得更小更輕，從而有空間放入更多的鋰電池，提升整車(chē)續航里程。

如果GaN能以較低的價(jià)格進(jìn)入，且能夠證明其可靠性和高電流能力，未來(lái)將可以打入更具挑戰性的驅動(dòng)系統，這一趨勢可能為其創(chuàng )造出更顯著(zhù)的價(jià)值。

根據Yole預測，從2022年開(kāi)始預計氮化鎵以小量滲透到OBC和DC-DC轉換器等應用中。因此到2026年，汽車(chē)和移動(dòng)市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)1.55億美元，年復合成長(cháng)率達185%。

從2021年開(kāi)始，隨著(zhù)大多數車(chē)企開(kāi)始準備800V系統，SiC的用量馬上要進(jìn)入爆發(fā)期，接下來(lái)的GaN的使用估計很快能在DC-DC和OBC上看得到。GaN在汽車(chē)上的應用可能如Yole所預期的一樣，在將來(lái)的2-3年落地。

氮化鎵在汽車(chē)領(lǐng)域的優(yōu)勢

隨著(zhù)電動(dòng)化、智能化的發(fā)展，今天的汽車(chē)比以往任何時(shí)候都集成了更多的電力系統。與傳統硅材料相比，基于GaN材料制備的功率器件擁有更高的功率輸出密度和更高的能量轉換效率，并可以使系統小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量。

另一方面，新能源汽車(chē)市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(cháng)，未來(lái)在新能源汽車(chē)市場(chǎng)GaN也將迎來(lái)屬于自己的一席之地，預計到2025年電動(dòng)汽車(chē)中氮化鎵芯片市場(chǎng)機會(huì )每年總值將超過(guò)25億美元。

行業(yè)人士指出，氮化鎵上車(chē)，帶來(lái)的好處有幾個(gè)方面，一個(gè)是充電時(shí)間減少了60%，原來(lái)的車(chē)載充電器沒(méi)有相應的標準，在相同的體積內，我們把原來(lái)的6.6千瓦功率升級到了22千瓦，讓整個(gè)充電速度提升了3倍，而車(chē)載充電器的體積和重量不會(huì )影響到本身車(chē)的重量。

此外，氮化鎵在雙向電路中扮演了非常重要的角色，經(jīng)測算，在逆變器上，相比硅基功率器件，氮化鎵能節能70%，可增加5%的續航。在同等體積下面，車(chē)載充電器的重量可以大幅度下降，以及提高效率，在逆變的過(guò)程中，在消耗電路上的能耗會(huì )下降，在這兩個(gè)基礎上，車(chē)重可以維持在相對較輕的重量，同時(shí)提升了逆變效率，可以有效地增加車(chē)的續航里程。

因此可以看到，氮化鎵對汽車(chē)充電、續航等方面提升的充電器、逆變器等零部件上應用效果會(huì )更突出，或將率先在車(chē)上搭載。通過(guò)氮化鎵，可以快速提高續航里程，提高充電體驗，來(lái)加速整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

目前來(lái)看，GaN器件在應用中主要包括48V系統的功率電子、車(chē)載充電機和DCDC，將來(lái)可以擴展到逆變器。而無(wú)線(xiàn)充電、手機無(wú)線(xiàn)充電和激光雷達都可能會(huì )用到這個(gè)。

以OBC來(lái)說(shuō)，使用GaN的器件，可以實(shí)現尺寸上減少到原來(lái)的五分之一，充電效率可以增加到98%，這也可以減小散熱的結構。

盡管新能源汽車(chē)對于GaN而言是一個(gè)具有未來(lái)的全新應用場(chǎng)景，但是如今依然面臨著(zhù)挑戰。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，GaN面臨最大的挑戰在于，由于車(chē)規級認證過(guò)程較慢，對器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時(shí)面臨硅器件和SiC器件的競爭。

同時(shí)，由于硅基GaN功率器件的工作電壓較低，而耐高壓的SiC基GaN功率器件又比較貴，Yole預估GaN功率器件要到2025年后，才有可能在電動(dòng)車(chē)上進(jìn)行部署。

因此只有GaN做得足夠好、成本足夠低，才可以有較強的競爭力，否則難以進(jìn)行大規模應用和普及。

車(chē)用氮化鎵主要存在四方面挑戰：

· 車(chē)用領(lǐng)域的功率要求波動(dòng)較大，需要在所有工況下，保持器件參數的長(cháng)期穩定；

· 車(chē)規功率器件長(cháng)期處于高振動(dòng)、高濕度、高溫度的工作環(huán)境，要求器件在應對熱應力和機械應力的過(guò)程中有著(zhù)極高的可靠性；

· 車(chē)在裝備過(guò)程中，在體積重量和制造成本上都有嚴格的要求，功率器件必須契合汽車(chē)裝備本身的需要；

· 車(chē)規器件需要做到15年到20年的使用壽命，技術(shù)門(mén)檻很高。

盡管困難重重，與傳統硅功率器件以及碳化硅相比，GaN憑借其特有的優(yōu)勢，未來(lái)依然有望得到大規模應用。目前GaN在新能源汽車(chē)中應用尚未大規模起量，但仍是一個(gè)具有潛力的應用方向。