氮化鎵繼消費領域之后再瞄準汽車市場

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體材料，自1990年起常用在發光二極管中。2019年，氮化鎵作為第三代半導體的主要材料之一首次進入主流消費應用，并在2020年因小米發布會發布小米GaN充電器而引發廣泛關注。

市場調研機構Yole Development預測稱，若未來蘋果等頭部手機廠商采用GaN，那么到2023年，GaN電源市場規模將達到4.23億美元，復合年均增長率達93％，有極大增長空間。需要注意的是，氮化鎵的應用領域遠不止消費電子領域，消費類、汽車類與工業類是未來重點投入方向。

憑借開關速度快、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化、產能提升、成本控制，逐漸應用于消費領域，快充尤其成為氮化鎵在消費市場的引爆點。相比傳統硅器件，氮化鎵快充能夠顯著提升充電速度，并降低系統待機狀態的電量消耗。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20億美元的銷售規模。

隨著汽車電動化、5G通信、物聯網市場的不斷增長，基于氮化鎵的產品應用正逐步拓展，將推動2021年及未來功率半導體的需求增長。在電動化對功率器件要求越來越高的背景下，未來在汽車產業上，將有更多的第三代半導體器件出現。

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

汽車電子被預測是氮化鎵的下一個藍海市場 —— 在嘗到消費領域快充的甜頭后，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汽車領域。利用氮化鎵可以將汽車的車載充電器（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，提升整車續航里程。

如果GaN能以較低的價格進入，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性的驅動系統，這一趨勢可能為其創造出更顯著的價值。

根據Yole預測，從2022年開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，汽車和移動市場價值將超過1.55億美元，年復合成長率達185%。

從2021年開始，隨著大多數車企開始準備800V系統，SiC的用量馬上要進入爆發期，接下來的GaN的使用估計很快能在DC-DC和OBC上看得到。GaN在汽車上的應用可能如Yole所預期的一樣，在將來的2-3年落地。

氮化鎵在汽車領域的優勢

隨著電動化、智能化的發展，今天的汽車比以往任何時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，新能源汽車市場的爆發式增長，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的標準，在相同的體積內，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航里程。

因此可以看到，氮化鎵對汽車充電、續航等方面提升的充電器、逆變器等零部件上應用效果會更突出，或將率先在車上搭載。通過氮化鎵，可以快速提高續航里程，提高充電體驗，來加速整個電動汽車行業的發展。

目前來看，GaN器件在應用中主要包括48V系統的功率電子、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都可能會用到這個。

以OBC來說，使用GaN的器件，可以實現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構。

盡管新能源汽車對于GaN而言是一個具有未來的全新應用場景，但是如今依然面臨著挑戰。在新能源汽車領域，GaN面臨最大的挑戰在于，由于車規級認證過程較慢，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預估GaN功率器件要到2025年后，才有可能在電動車上進行部署。

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，否則難以進行大規模應用和普及。

車用氮化鎵主要存在四方面挑戰：

· 車用領域的功率要求波動較大，需要在所有工況下，保持器件參數的長期穩定；

· 車規功率器件長期處于高振動、高濕度、高溫度的工作環境，要求器件在應對熱應力和機械應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格的要求，功率器件必須契合汽車裝備本身的需要；

· 車規器件需要做到15年到20年的使用壽命，技術門檻很高。

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