勾引英飞凌，吸引马斯克：氮化镓的革命，你看懂了吗！

来源:电动车公社发布时间:2023-03-211864浏览

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大家好，我是电动车公社社长。
2022年中下旬，我曾拍过一期大众前CEO迪斯饮恨离职的视频，详细解读了迪斯与大众7年间的爱恨情仇。
而当时被“非正常离职”的迪斯，虽然已经65岁，却是个香饽饽。‍‍‍‍‍
不仅有2015年就向他抛出橄榄枝的特斯拉，还有中国新势力品牌蔚来的热辣示爱。‍‍‍‍

但没过多久，就传来迪斯修整之后，决定入职英飞凌的消息。‍‍‍‍‍‍‍
对于英飞凌这家企业，相信大家都有些耳熟，作为欧洲顶级半导体零部件供应商，与大众、宝马都有密切合作。‍‍‍
于是，大量媒体的评价都是“迪斯的复仇”要开始了。‍‍‍‍‍‍‍‍
事实上，生意人之间哪有什么“隔夜仇”，迪斯又是一位职业经理人，所以他选择英飞凌，必然有什么“独特”的原因。
而这一切，就要从英飞凌的一场收购案说起。‍‍‍‍

3月2日，也就是迪斯就任英飞凌监事会主席的第10天。‍‍‍
英飞凌官宣，将以 8.3 亿美元（57亿人民币）收购 GaN Systems，并且两家公司目前已经签署了最终协议。
GaN Systems作为全球氮化镓（GaN）功率半导体重要生产厂商，自此属于英飞凌。
显然，这单生意不会是迪斯谈下来的。
但从这一步上看得出，英飞凌这家企业进军氮化镓领域的布局，是非常清晰明了的。

对于在大众吃够了“方向不一致”的苦的迪斯来说，英飞凌的这一选择对他的诱惑显然是“巨大的”。

或许你会疑惑，一款新材料凭什么有这么大的魔力？
但等你了解氮化镓后，你就会发现。
这是一场革命，而且这场革命，终将烧到新能源车圈。
烧到每一个人身上。

01. 氮化镓，功率半导体的春天‍‍

在介绍氮化镓这款新材料前，我们需要先了解什么是功率半导体和它的应用。‍
毕竟对我们普通人来说，单纯理解材料性质没有任何意义，只有把它的特性应用到功能里，满足我们的需求，才能更好的了解氮化镓即将创造的奇迹。
所以今天，我们从一块充电器说起。‍
众所周知，充电器（头）的作用，是把电网输出的220V 50Hz的交流电，转换成目标电压下的直流电。‍‍‍‍‍‍‍‍
比如手机电池通常需要的，就是5V直流电。‍‍‍‍‍

这个需要充电头完成的转变过程，一共有三个主要步骤：
变压器：利用高中最令人头疼的法拉第电磁感应定律，通过U型铁棒不同匝数的缠绕，把220V交流电转换成5V目标交流电。‍‍‍‍
二极管：用四根单向二极管组成全桥整流电路，把上下波动的50Hz交变电流，转换成只有上弦的100Hz的脉动直流电。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

红框为全桥整流电路图
电容器：此时将电流转入电容器内“短暂存储”，再输出时，就是相对稳定的直流电，也就是学术上的“滤波”作用。
其实完成这三步骤后，一个充电器的基础使命已经达成。
可是，我们显然需要更小的充电器体积，以便于出行携带。

传统5W充电器
而这个目的，在公式上看并不是异想天开。‍
由于公式太过复杂，这里就给大家说结论：电压U，与频率f、磁通量φ、每伏匝数N*横截面积S，都成正比。
也就是说，如果要保证输出恒定5V电压的情况下。
每伏匝数N * 横截面积S，也就是变压器的体积想减小，就需要频率f、或磁通量变大。

而通常情况下，磁通量的大小与磁场面积成正比，于是能改变的就只有频率f了。
前面已经说了，电网给出的频率f就是50Hz。
于是，人们引入了一个极为关键的零部件——一种功率半导体。
也就是一个由硅制成的MOS管（半导体场效应晶体管），不是流浪地球里的Moss，而是一个通过芯片控制可以实现“频繁开合”的电子开关。‍
而利用开关高频的规律开合，就可以将直流电转化为脉动直流。‍‍
最终成功为体积“减肥”。

苹果5W充电器当然，顺序上要做一个小小的调整。
先由二极管 + 电容器 + 频率约为50KHz的硅开关半导体形成一个整流滤波装置，输出220V的高频高压脉动直流。
这次，再接上一个变压器，降成所需的低压脉动直流电。
最后再接入一个电容滤波，齐活。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍
此时的你，已经基本了解了第二代充电器的功能结构，因为还有一些反馈控制系统来保证输出电压电流准确，这部分我们就不提了。
而人类的欲望，是无止境的。
我们，还想要更高功率的充电头，因为这样才能更快的完成充电。

但根据功率公式P=UI，当电流一定时，我们只能提供更高的电压。‍‍‍‍
此时，就又回到提高频率，还是提高体积的选择中。‍
而一种材料的性质必然是有极限的，所以65W充电器的体积，它就只能比5W大得多。
这，就是全球“硅电子开关”的困扰。
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02. 氮化镓，源于天赋‍

2022年2月，小米发布了一款功率65W，造型却没有一盒饮料大的氮化镓充电器。
顿时引爆市场，小米门店人山人海。

没错，特意标出的氮化镓材料，就成为破局的关键。

其实，对于氮化镓充电器可能很多人并不陌生。
安克、倍思等品牌，早在2019年就开始布局生产，尤其是苹果用户可能都比较熟悉。
包里只需要塞这么一颗小小的充电头，就可以同时为Mac笔记本、手机以及第三款设备同时充电，并且速度都不慢。‍‍‍‍‍‍‍
简直是办公一族的救星啊。
实不相瞒，社长就是经朋友推荐，并且成功安利给身边不少朋友使用的受益者。‍

而氮化镓，又是怎么做到这些的呢？
这就要提到我们之前说的MOS管所遇到的瓶颈。
前面我们解释过了，只要MOS管的开关频率 f 得到提升，那么配套的所有元器件的体积就都能够缩小。
于是我们要的高功率、小体积的充电器自然而然就出现了。
而频率，也就是开关频率，要受到三个主要因素的影响：最高电压、能量密度，以及散热。
这里面涉及到晶体管运行规则，所以社长用一个简单比喻来解释。
假设MOS管是一扇门。

那么这个门，能承受的推拉力度越大，开合速度也就越快。
而这个推拉力，就是击穿电子强度，强度越高，门越不易被击穿损毁。
同样，门的宽度（禁带宽度）越大、电子跑的速度（电子迁移率）越快，那单位时间内能够通过的电子也就越多。
能量密度也就越高、传输速度自然更快。‍‍‍‍‍‍
同时，因为推拉产热，所以制造门的材料热导率越高，那么散热效果也就越好，自然就不需要更大的空间去散热。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

也就是说，只需要在硅基衬片上，“涂上”氮化镓这层膜。
整个晶体管的效能就会得到质的提升。‍‍‍‍
事实上，原本硅基芯片的频率上限只能达到100kHz，而使用氮化镓后，频率可以达到1000kHz。
足足提升了十倍！
即便真实应用上不会有如此大的差距，但也足以形成天壤之别。‍

同样65w充电器，体积对比
或许，你会觉得厉害是很厉害的，但也就那么回事儿吧。
毕竟小小充电器，又能翻出什么大浪呢？‍
确实，氮化镓作为第三代半导体材料（宽禁带半导体材料），主要应用领域其实是在于高温、高频、高功率的器件上。‍‍
甚至早在1990年，美国最开始研发这种材料时，就是应用于光电及军工领域。
但一直以来，高端军用的后续，就是民用普及。
所以氮化镓、碳化硅为主掀起的第三代半导体芯片革新，并不会止步于此。
英飞凌的押宝，也并非独树一帜。

03. 第三代半导体，风口之上‍‍

3月1日，特斯拉投资者日上，特斯拉提到要在保持性能的前提下减少75%碳化硅的使用量。‍‍‍‍‍‍‍‍
因为这种材料的成本，太贵了。
其中的手段之一，或许就是将电压提高到48v。‍‍‍‍‍
而你发现没，高电压的情况下，氮化镓完全可以凭借其更高的能量密度，在单位价格内，和碳化硅拥有一战之力。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍
也许，氮化镓半导体本身，这就是这场发布会上没有提到的替代品之一。
当然，这只是一种猜想，但英飞凌的选择，确实真金白银的投资。

早在2019年，就以每股 28.35 美元，最终101亿美元现金成功收购美国半导体厂商 Cypress（赛普拉斯）完成在碳化硅领域布局后。
英飞凌已经掌握了汽车半导体方面的主力供货地位。
但这还不够。
英飞凌仍旧手握数十亿欧元重金，在市场搜寻着，在电动汽车、自动驾驶等方向，谁能带来更长久的利益？
答案显而易见，英飞凌押注了氮化镓，并且与自身已经具备的碳化硅优势形成“两条腿”走路的绝对优势。

而氮化镓在新能源汽车上的应用并非初创。
早在2019年，被英飞凌收购的GaN Systems 公司，就与丰田及日本名古屋大学合作开发“全GaN汽车”，证明了氮化镓在汽车功率转换方面的可行性。
毕竟，替代一块小充电头上的MOS管只是开始。
新能源车身上，有着大量的MOS管，可以发起进攻。

2021年9月13日，GaN Systems也曾与宝马签订合作金额高达1亿美元（近6.9亿人民币）的产能协议。

其产品，正是高性能氮化镓功率晶体管。‍
同样，车规级GaN产品也应用到了瑞萨电子的48V/12V双向DC/DC转换器中。

据估计，功率 GaN 市场的消费应用，已经从 2021 年的 7960 万美元增长到 2027 年的 9.647 亿美元，复合年增长率为 52%。
这当中，汽车和移动行业的氮化镓需求占比，已经从 2021 年的 530 万美元增长到 2027 年的 3.089 亿美元，复合年增长率达到惊人的 97%。‍
这份预期，已经将氮化镓的“下探”写在了纸面上。‍‍‍

当然，或许，氮化镓也不一定就是最优的解决方案。
业内也有将氧化镓当成是第四代半导体材料的说法，同时进行碳基芯片研发的企业也投入巨大。
但从一颗小小的充电头，到新能源汽车充电桩。
每一次点滴的进步，都润物无声地方便着我们的生活，并且正在快速革新着一切。
也正因为有千千万万个这样的变化，才有了今天繁荣的社会进程。

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