氮化鎵繼消費領(lǐng)域之后再瞄準(zhǔn)汽車市場

氮化鎵并非一個新概念，其分子式GaN，是一種直接能隙的半導(dǎo)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(dǎo)體的主要材料之一首次進(jìn)入主流消費應(yīng)用，并在2020年因小米發(fā)布會發(fā)布小米GaN充電器而引發(fā)廣泛關(guān)注。

市場調(diào)研機構(gòu)Yole Development預(yù)測稱，若未來蘋果等頭部手機廠商采用GaN，那么到2023年，GaN電源市場規(guī)模將達(dá)到4.23億美元，復(fù)合年均增長率達(dá)93％，有極大增長空間。需要注意的是，氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)不止消費電子領(lǐng)域，消費類、汽車類與工業(yè)類是未來重點投入方向。

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

氮化鎵的“上車”機會

近年來，氮化鎵器件通過性能優(yōu)化、產(chǎn)能提升、成本控制，逐漸應(yīng)用于消費領(lǐng)域，快充尤其成為氮化鎵在消費市場的引爆點。相比傳統(tǒng)硅器件，氮化鎵快充能夠顯著提升充電速度，并降低系統(tǒng)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20億美元的銷售規(guī)模。

隨著汽車電動化、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷增長，基于氮化鎵的產(chǎn)品應(yīng)用正逐步拓展，將推動2021年及未來功率半導(dǎo)體的需求增長。在電動化對功率器件要求越來越高的背景下，未來在汽車產(chǎn)業(yè)上，將有更多的第三代半導(dǎo)體器件出現(xiàn)。

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

汽車電子被預(yù)測是氮化鎵的下一個藍(lán)海市場 —— 在嘗到消費領(lǐng)域快充的甜頭后，在電動車快速成長，以及提高充電效率需求的帶動下，GaN功率器件廠商也開始積極開發(fā)汽車領(lǐng)域。利用氮化鎵可以將汽車的車載充電器（OBC）、DC-DC轉(zhuǎn)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?yán)m(xù)航里程。

如果GaN能以較低的價格進(jìn)入，且能夠證明其可靠性和高電流能力，未來將可以打入更具挑戰(zhàn)性的驅(qū)動系統(tǒng)，這一趨勢可能為其創(chuàng)造出更顯著的價值。

根據(jù)Yole預(yù)測，從2022年開始預(yù)計氮化鎵以小量滲透到OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中。因此到2026年，汽車和移動市場價值將超過1.55億美元，年復(fù)合成長率達(dá)185%。

從2021年開始，隨著大多數(shù)車企開始準(zhǔn)備800V系統(tǒng)，SiC的用量馬上要進(jìn)入爆發(fā)期，接下來的GaN的使用估計很快能在DC-DC和OBC上看得到。GaN在汽車上的應(yīng)用可能如Yole所預(yù)期的一樣，在將來的2-3年落地。

氮化鎵在汽車領(lǐng)域的優(yōu)勢

隨著電動化、智能化的發(fā)展，今天的汽車比以往任何時候都集成了更多的電力系統(tǒng)。與傳統(tǒng)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(zhuǎn)換效率，并可以使系統(tǒng)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，新能源汽車市場的爆發(fā)式增長，未來在新能源汽車市場GaN也將迎來屬于自己的一席之地，預(yù)計到2025年電動汽車中氮化鎵芯片市場機會每年總值將超過25億美元。

行業(yè)人士指出，氮化鎵上車，帶來的好處有幾個方面，一個是充電時間減少了60%，原來的車載充電器沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，在相同的體積內(nèi)，我們把原來的6.6千瓦功率升級到了22千瓦，讓整個充電速度提升了3倍，而車載充電器的體積和重量不會影響到本身車的重量。

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(jié)能70%，可增加5%的續(xù)航。在同等體積下面，車載充電器的重量可以大幅度下降，以及提高效率，在逆變的過程中，在消耗電路上的能耗會下降，在這兩個基礎(chǔ)上，車重可以維持在相對較輕的重量，同時提升了逆變效率，可以有效地增加車的續(xù)航里程。

因此可以看到，氮化鎵對汽車充電、續(xù)航等方面提升的充電器、逆變器等零部件上應(yīng)用效果會更突出，或?qū)⒙氏仍谲嚿洗钶d。通過氮化鎵，可以快速提高續(xù)航里程，提高充電體驗，來加速整個電動汽車行業(yè)的發(fā)展。

目前來看，GaN器件在應(yīng)用中主要包括48V系統(tǒng)的功率電子、車載充電機和DCDC，將來可以擴展到逆變器。而無線充電、手機無線充電和激光雷達(dá)都可能會用到這個。

以O(shè)BC來說，使用GaN的器件，可以實現(xiàn)尺寸上減少到原來的五分之一，充電效率可以增加到98%，這也可以減小散熱的結(jié)構(gòu)。

盡管新能源汽車對于GaN而言是一個具有未來的全新應(yīng)用場景，但是如今依然面臨著挑戰(zhàn)。在新能源汽車領(lǐng)域，GaN面臨最大的挑戰(zhàn)在于，由于車規(guī)級認(rèn)證過程較慢，對器件的可靠性和安全性要求較高，并且GaN要同時面臨硅器件和SiC器件的競爭。

同時，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(yù)估GaN功率器件要到2025年后，才有可能在電動車上進(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(guī)模應(yīng)用和普及。

車用氮化鎵主要存在四方面挑戰(zhàn)：

· 車用領(lǐng)域的功率要求波動較大，需要在所有工況下，保持器件參數(shù)的長期穩(wěn)定；

· 車規(guī)功率器件長期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環(huán)境，要求器件在應(yīng)對熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的過程中有著極高的可靠性；

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

· 車規(guī)器件需要做到15年到20年的使用壽命，技術(shù)門檻很高。

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