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【功率器件】从手机快充到电动汽车,氮化镓功率半导体潜力无限

来源:全球半导体观察    原作者:奉颖娴    

近期,苹果“爆料大神”郭明錤透露,苹果可能在今年某个时候推出下一款氮化镓充电器,最高支持30W快充,同时采用新的外观设计。

与三星、小米、OPPO等厂商积极发力氮化镓快充产品相比,苹果在充电功率方面一直较为“保守”。去年10月,伴随新款MacBook Pro的发布,苹果推出了140W USB-C电源适配器(下图),这是苹果首款采用氮化镓材料的充电器,售价729元。

图片来源:苹果

如今,苹果有望持续加码氮化镓充电器,氮化镓功率半导体市场有望迎来高歌猛进式发展。

手机等快充需求上升,氮化镓功率市场规模将达13.2亿美元

氮化镓是第三代半导体核心材料之一,具备开关频率高、禁带宽度大、更低的导通电阻等优势,这种材料通常应用于LED(照明、显示)、射频通讯与高频功率器件领域,手机快充是氮化镓在高频功率器件领域的代表应用之一。

与传统快充相比,氮化镓快充具备更大的功率密度,充电速度更快,而且体积更小、便于携带,可以满足消费者对于电子产品充电快与轻量化的双重需求。

上述优势下,众多厂商纷纷涌入氮化镓快充市场。其中,OPPO是全球首家在手机充电器中导入氮化镓的厂商,2019年该公司推出了65W超级闪充氮化镓充电器,随后三星、小米、中兴等手机厂商加入氮化镓快充阵营。除了手机厂商之外,第三方厂商也在持续推出氮化镓产品。

2020年,氮化镓快充市场以55W~65W为主流功率段,百瓦级大功率产品市场上较少,但备受期待。随后,越来越多厂商不断推出大功率产品,以满足消费者日益增长的充电需求。今年MWC 2022期间亮相的realme GT Neo 3配备了氮化镓闪充技术,功率达到150W,在5分钟内可为手机的4500 mAh电池充满50%的电量,氮化镓快充技术得到了充分发挥。

受惠于手机等消费性快充产品需求快速上升,氮化镓功率市场规模也在迅速成长。

全球市场研究机构TrendForce集邦咨询最新调查显示,第三类功率半导体产值将从2021年的9.8亿美元,成长至2025年的47.1亿美元,年复合成长率达48%。其中,氮化镓功率半导体市场规模将在2025年达到13.2亿美元。

从消费电子到电动汽车,氮化镓功率半导体潜力无限

氮化镓功率半导体从消费电子起步,但它的未来不会止步于消费电子市场。

随着新能源汽车市场不断蓬勃发展,业界看好第三代半导体材料在汽车领域的应用,电动汽车成为氮化镓功率半导体下一个潜力市场。

目前电动汽车市场较为关注碳化硅这类第三代半导体材料发展,业界看好碳化硅未来逐步取代替代部分IGBT、MOSFET等硅基功率半导体,在新能源汽车领域得到应用。

氮化镓同样可以在电动汽车市场发挥“用武之地”。

以电动汽车续航为例,与消费电子快充一样,电动汽车也有着极高的快充需求。基于氮化镓的特殊性能,引入氮化镓技术可以大幅缩短汽车充电时间,同时车载充电器的体积和重量不会对汽车造成额外的“负担”。

随着电动汽车不断普及,电动汽车产业“续航焦虑”的痛点亟待解决,氮化镓功率半导体有望对此助一臂之力。

不过与消费类芯片相比,车规级芯片对于性能指标、使用寿命、可靠性、安全性、质量一致性等方面有着极高的要求,这也使得氮化镓功率半导体在电动汽车市场发展不如在消费电子市场一样迅速。

业界认为,电动汽车的开发通常需要三到四年的时间,因此至少到2025年才会出现氮化镓半导体在电动汽车上的部署。

瞄准氮化镓功率半导体未来,这些厂商在行动

氮化镓功率半导体在汽车的应用还处于早期阶段,为抓住机遇提前布局,目前已有不少企业瞄准氮化镓在汽车领域的发展。比如:

1、GaN Systems

2021年9月,加拿大厂商GaN Systems宣布与德国汽车大厂BMW已就确保氮化镓(GaN)晶体管产能达成协议,其产量预期能确保该车厂的供应链稳定,这一合作体现了车企对氮化镓的重视。

2021年11月,GaN Systems宣布完成了1.5亿美元最新一轮融资,将在电动汽车市场上发力,提升其市场份额。

2、意法半导体

2021年12月,意法半导体宣布推出氮化镓功率半导体PowerGaN系列,应用包括消费类电子产品的内置电源,在功率更高的应用中,意法半导体的PowerGaN器件也适用于电信电源、工业驱动电机、太阳能逆变器、电动汽车及其充电设施。

3、纳微半导体

今年1月,纳微半导体宣布开设新的电动汽车 (EV) 设计中心,进一步扩展到更高功率的氮化镓市场。新的设计中心位于中国上海,拥有一支经验丰富的世界级电力系统设计师团队,在电气、热力和机械设计、软件开发以及完整的仿真和原型设计能力方面具有全面的能力。新团队将在全球范围内为电动汽车客户提供支持,从概念到原型,再到全面认证和大规模生产。

此外,纳微半导体为电动汽车应用量身定制的高功率 650V GaN IC已于2021年12月向EV客户提供样品。

4、丰田合成

今年3月15日,丰田合成宣布与日本大阪大学成功研制出尺寸超6英寸的氮化镓籽晶,有助于氮化镓功率器件的低成本化。丰田合成表示,功率器件广泛用于工业机械、汽车、家用电子等领域的功率控制。随着社会朝着碳中和的方向发展,下一代功率器件因能够帮助减少可再生能源设备和电动汽车这些大型电力设备的功率损失,未来应用将广泛落地,而氮化镓功率器件是有助于减少功率损失的方法之一,且开发下一代功率器件需要更高质量和更大尺寸的氮化镓衬底,以实现更高的生产效率和降低生产成本。

结语

第三代半导体材料中,目前电动汽车市场碳化硅功率半导体备受青睐,氮化镓功率半导体则在消费电子快充市场保持优势。未来,随着电动汽车进一步普及,企业不断发力技术突破与扩产,氮化镓会不会复制碳化硅在电动汽车市场的成功模式?我们拭目以待!

封面图片来源:拍信网