充电革命来了!GaN 产业大爆发:苹果三星华为小米纷纷入局

你对你的手机充电器还满意吗?

如果答案是否定的,那么你有足够的理由去关注一个名为 GaN 的名词。就目前的情况来看,使用 GaN 材料参与制作的充电器,不仅仅能够实现更小的体积、更轻的重量,也能够带来更高的充电效率——简单来说,它将为充电器带来一场革命。

更重要的是,GaN 已经引起了广泛的行业关注。

什么是 GaN?

GaN 本质上是一种新型半导体材料。

它的中文名为氮化镓,英文名称是 Gallium nitride,分子式是 GaN;它是氮和镓的化合物,也是一种直接能隙(Direct Bandgap)的半导体,也是一种宽禁带半导体材料。

GaN 氮化镓的化合物结构类似于纤锌矿,硬度很高;相比传统硅基半导体,GaN 氮化镓有着更出色的击穿能力,更高的电子密度和电子迁移率,还有更高的工作温度(熔点约为 1700℃)。

雷锋网了解到,作为一种新型材料,GaN 具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

从半导体行业的角度来看,GaN 材料是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与 SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代 Ge、Si 半导体材料、第二代 GaAs、InP 化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。

相较于传统的硅基半导体,GaN 能够提供显著的优势来支持功率应用,这些优势包括在更高功率获取更大的节能效益,以致寄生功耗大幅降低;GaN 材料也容许更多精简元件的设计以支持更小的尺寸外观。

此外,相较于硅基元件,GaN 元件切换速度增快达 10 倍,同时可以在更高的最高温度下运作,这些强大的材料本质特性让 GaN 广泛适用于 100 伏与 650 伏电压范围内的涵盖汽车、工业、电信、以及特定消费性电子应用产品等行业。

目前,对 GaN 材料的研究与应用是已经成为全球半导体研究的前沿和热点。

GaN 引发充电器革命

实际上,GaN 早在上世纪 90 年代起就有所应用——近年来,它再次受到普通消费者的关注是因为充电器。

实际上,由于禁带宽度大、热导率高、耐高温等特性,采用了 GaN 氮化镓元件的充电器最直观的感受就是体积小、重量轻,很好顺应了电子产品向小型化、轻薄化方向发展的趋势。

从具体效果来看,同等输出功率下,采用 GaN 功率 MOS 的充电器会比传统的充电器体积缩小 1/3 以上,在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势,大大的提升了用户的使用体验。

当然,限于技术本身发展的限制,GaN 充电器的成本一直比较高;然而,随着人们对充电技术的需求和期待越来越高,采用 GaN 材料的充电器也逐渐进入到消费领域。

2018 年 10 月,ANKER 发布了全球首款 USB PD GaN 充电器 PowerPort Atom PD1,和苹果 5W 充电器差不多的体积却能输出高达 27W 的功率,吸足眼球。

雷锋网 (公众号:雷锋网) 注意到,这款 GaN 充电器甚至能够为 MacBook 充电。

随后,ANKER、RAVpower、AUKEY、ELIXAGE、Mu One、UIBI 等厂商都推出了自家的 USB PD GaN 充电器,其价格多在 150 元以上。

值得一的是,除了专门生产充电头的厂商,不少消费电子厂商也盯上了 GaN 充电技术。

比如说,在 2019 年 10 月发布的 OPPO Reno Ace 中,就标配了一个 GaN 充电器,可以实现 65W 的超级闪充——由此 OPPO Reno Ace 也成为全球首款标配 GaN 充电器的手机。

另外,在 2020 年 2 月 13 日的小米新品发布会上,小米也推出了一款体积小巧的充电器,也就是小米 GaN 充电器 Type-C 65W——再次让 GaN 材料在充电器上的应用引发了消费电子行业的关注。

三星、苹果等大厂也在布局 GaN

就目前的情况来看,布局 GaN 的厂商也为数不少。

根据《科创板日报》报道,目前小米、OPPO、苹果、华为、三星等厂商都在 GaN 方面有较深的积累——这就意味着,GaN 已经在全球主流的消费电子厂商中得到了关注和投入。

其中,雷锋网了解到,小米上周发布的 GaN 充电器采用了来自纳微半导体(Navitas)的 NV6115 和 NV6117 GaNFast 功率 IC,体积为 56.3 x 30.8 x 30.8mm,官方表示是标准适配器尺寸的一半。

值得一提的是,纳微半导体公司是世界上第一家 GaN 功率 IC 公司,于 2014 年在美国加利福尼亚州 El Segundo 成立——而小米也通过对纳微半导体公司的投资,确立了产业链的上下游合作关系。

就整个消费电子行业的情况来看,GaN 也正在伴随充电器快速爆发。

根据充电头网报道,2020 年 1 月,在美国举办的 CES 展会上,参展的 GaN 充电器已经多达 66 款,其中涵盖了 18W、30W、65W、100W 等多个功率,以及全新品类超级扩展坞,满足手机、平板、笔电的全方位充电需求。

而来自中信证券的报告称,随着用户对充电器通用性、便携性的需求提高,未来 GaN 快充市场规模将快速上升,预计 2020 年全球 GaN 充电器市场规模为 23 亿元,2025 年将快速上升至 638 亿元,5 年复合年均增长率高达 94%。

同时,综合性能和成本两个方面,GaN 也有望在未来成为消费电子领域快充器件的主流选择。

市场规模爆发,半导体行业切入 GaN

需要说明的是,GaN 不仅仅可以充电器领域。

实际上,凭借 GaN 的功率性能、频率性能以及优秀散热性能,它还可用于 5G 基站、自动驾驶、军用雷达等众多功率和频率有较高要求的场合。

在这样的需求之下,GaN 衬底市场的规模也在扩大。

根据法国市场研究顾问机构 Yole Development 的统计,2017 年全球 GaN 衬底市场需求约 7.4 万片,在 GaN 射频和功率器件应用的拉动下,预计 2022 年全球 GaN 衬底需求上升至 32 万片,对应的氮化镓衬底的市场规模达到 64 亿元,2017 至 2022年的年复合增长率为 34%。

值得一提的是,在这样的市场趋势下,一些重要的半导体行业也大举切入到 GaN 市场。

就在 2 月 20 日,台积电与意法半导体宣布,双方将合作加速 GaN 制程技术的开发,并将分离式与整合式 GaN 元件导入市场——透过此合作,意法半导体将采用台积电公司的 GaN 制程技术来生产其 GaN 产品。

关于本次合作,台积电业务开发副总经理张晓强博士表示,期待和意法半导体合作把 GaN 功率电子的应用带进工业与汽车功率转换。具体来说,GaN 能够协助意法半导体提供中功率与高功率应用所需的解决方案,包括应用于油电混合车的转换器与充电器。

可见,双方的着力点其实是在汽车的电气化方面。

雷锋网总结

一项新材料新技术从实验室走向消费者,需要集齐多方面的的因素,比如说上游的产能和良率,中游的研发、制造和生态链的完善,以及下游厂商和消费者的认知和接受度,当然还有售价是否亲民的问题——从目前的行业情况综合来看,GaN 已经做好了走向大众充电市场的准备。

最后的小问题:多少钱的 GaN 充电器,你能够接受呢?

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