Les nouvelles favorables au marché de la recharge rapide affluent : le 27 janvier, le rapport financier d'Apple pour le premier trimestre 2021 a révélé que, grâce à une forte demande pour l'iPhone 12, le chiffre d'affaires de l'iPhone a progressé de 17 % sur un an pour atteindre un niveau record de 65.6 milliards de dollars. Le chiffre d'affaires de l'iPad a quant à lui bondi de 40 % au premier trimestre. Les ventes de Mac ont battu tous les records de décembre. Apple a passé commande pour plus de 90 millions de téléphones portables auprès de ses fournisseurs au cours du premier semestre. L'analyste Ming-Chi Kuo a déclaré aux médias qu'Apple devrait lancer deux ou trois nouveaux chargeurs au nitrure de gallium lors de la sortie des nouveaux iPhone et MacBook cette année, ce qui devrait stimuler la croissance de toute la filière du nitrure de gallium.

IDC prévoit une forte croissance du marché des smartphones 5G en 2021, avec un doublement attendu, passant d'environ 200 millions d'unités en 2020 à 500 millions. Xiaomi, Vivo et Huawei ont successivement lancé des chargeurs au nitrure de gallium pour leurs smartphones 5G haut de gamme. Cette année, malgré une pandémie de COVID-19 toujours en cours, le télétravail et l'enseignement à distance ont stimulé la croissance du marché des ordinateurs portables, et la demande de chargeurs au nitrure de gallium, permettant une charge plus rapide, plus efficace et plus légère, a fortement progressé.

Cette année, le marché des chargeurs au nitrure de gallium a-t-il atteint un tournant décisif ? Des chargeurs de 20 W, 65 W et 100 W ont été lancés successivement. Quels modèles s’imposeront sur le marché ? Comment les fabricants de puces au nitrure de gallium accompagnent-ils les fabricants de terminaux dans le lancement de produits de charge rapide ? Comment évolue l’écosystème de la charge rapide au nitrure de gallium ? À partir des retours des consommateurs, le journaliste a interviewé Li Wenhui, directeur des ventes chez Nanos Semiconductor, Zhou Wei, directeur marketing chez Innosec, Zou Yanbo, responsable des applications produits, et Wu Xin, responsable des ventes chez Nitrosilicon Technology. Ils ont partagé leurs analyses des dernières tendances du marché et des solutions techniques du secteur.

Quand le marché des chargeurs au nitrure de gallium atteindra-t-il un point d'inflexion ?

En 2018, Nanovi Semiconductor a lancé la charge rapide au nitrure de gallium (GaN) sur le marché. En 2020, les acteurs du secteur ont constaté l'immense potentiel du marché des appareils mobiles. Plus de 100 chargeurs GaNFast étaient alors produits en série et commercialisés. La technologie GaN s'est ainsi imposée sur des marchés à forte puissance tels que les véhicules électriques, la 5G, les centres de données et l'énergie solaire.

Le 26 janvier dernier, Navitas Semiconductor a annoncé officiellement avoir atteint un nouveau record de livraisons de puces. L'entreprise a livré avec succès plus de 13 millions de circuits intégrés de puissance au nitrure de gallium (GaN), sans aucun défaut de fabrication. Ce succès témoigne de l'adoption croissante des puces au nitrure de gallium par le marché mondial de l'électronique grand public mobile, permettant ainsi une charge rapide des appareils mobiles et des équipements associés.

Innosec, entreprise basée à Zhuhai en Chine, figure parmi les trois principaux fournisseurs mondiaux de puces de puissance en nitrure de gallium à base de silicium. L'année dernière, elle a livré 4 millions de puces en nitrure de gallium. Zhou Wei, directeur des ventes d'Innosec, a déclaré lors d'un entretien avec des passionnés d'électronique que les livraisons de puces en nitrure de gallium de l'entreprise devraient être multipliées par dix cette année. Il a même estimé, avec optimisme, que les livraisons mondiales de nitrure de gallium l'année dernière avoisinaient les 15 millions d'unités, et qu'elles dépasseraient les 100 millions d'unités cette année.

Face à des exigences de plus en plus élevées en matière de qualité de vie, le marché des chargeurs est confronté à de nombreux défis. Les consommateurs souhaitent notamment des chargeurs plus puissants et plus rapides. Parallèlement, ils recherchent des chargeurs compacts et élégants, à un prix raisonnable. Cette exigence croissante pose de nombreux problèmes aux fabricants et concepteurs, notamment en termes d'efficacité, de gestion de la température, d'interférences électromagnétiques et de compatibilité des protocoles d'interface de sortie.

Le GaN, matériau de base des semi-conducteurs de troisième génération, présente trois caractéristiques principales : une fréquence de commutation élevée, une large bande interdite et une faible résistance à l’état passant. Cent fois plus rapide que la technologie traditionnelle au silicium (Si), il permet, dans les chargeurs rapides de pointe, d’atteindre des performances nettement supérieures aux produits existants et de tripler la puissance de sortie à taille égale.

Photo : Li Wenhui, directeur des ventes de Navitas Semiconductor

Les chargeurs au nitrure de gallium (GaN) rencontrent actuellement deux difficultés majeures pour leur commercialisation. Li Wenhui, directeur des ventes chez Navitas Semiconductor, explique : « Premièrement, la charge rapide GaN est une technologie récente et son adoption par le marché nécessite un certain temps. Deuxièmement, le prix des chargeurs GaN est plus du double de celui des chargeurs traditionnels, et une baisse de prix est indispensable à leur promotion. En 2018, un chargeur GaN de 45 W coûtait 60 dollars américains. L’année dernière, le chargeur GaN 65 W de Xiaomi était proposé à 149 yuans (23 dollars américains), et même des marques tierces descendaient à 99 yuans. Notre objectif est que d’ici fin 2022, le prix des chargeurs GaN et des chargeurs au silicium soit similaire. Une fois ce prix stabilisé, je suis convaincu que le marché connaîtra un tournant décisif. »

Zhou Ji, directeur des ventes d'Innosec, se montre plus optimiste. Il estime que le marché devrait connaître un tournant décisif d'ici un an environ. Le prix des chargeurs GaN étant proche de celui des chargeurs en silicium, ce tournant est imminent. Innosec a lancé en série l'année dernière la première génération de circuits intégrés de puissance au nitrure de gallium (GaN), l'INN650D 02. La deuxième génération, dont les performances ont été encore améliorées, devrait être commercialisée au cours du premier semestre de cette année. De plus, la possibilité de fabriquer davantage de composants par tranche de silicium permet de réduire les coûts et d'accroître la capacité de production. Autant d'atouts qui favorisent les livraisons sur le marché.

Photo : Wu Junjun, directeur des ventes de Nitrosilicon Technology

Wu Junjun, directeur des ventes de Nitrogen Silicon Technology, a déclaré aux journalistes que les chargeurs GaN devraient connaître un tournant décisif sur le marché d'ici deux ans. Dès 2023, les puces en nitrure de gallium seront largement utilisées non seulement dans les chargeurs, mais aussi dans les adaptateurs secteur, les alimentations pour l'éclairage, les alimentations pour téléviseurs, etc.

Les chargeurs au nitrure de gallium de 65 W se sont généralisés sur le marché, le coût et la polyvalence étant les deux facteurs clés.

D'après une enquête menée auprès de passionnés d'électronique, dix fabricants de téléphones mobiles ont lancé dix-huit modèles de chargeurs rapides au nitrure de gallium en 2020. OPPO, realme, Xiaomi, Nubia, Samsung, Lenovo et ZTE sont tous présents sur le marché de la charge rapide au nitrure de gallium. Porté par les marques de téléphones mobiles et les marques tierces, le marché de la charge rapide au nitrure de gallium compte des centaines de produits d'une puissance de 20 à 120 W, offrant une grande variété de designs. Par ailleurs, les fabricants d'ordinateurs portables se sont également lancés sur ce marché, notamment avec des chargeurs haute puissance de 65 W et plus. Parmi les marques représentatives, on retrouve Lenovo, Asus, Dell et Xiaomi.

Li Wenhui, directeur des ventes de Navitas Semiconductor, a récemment déclaré aux journalistes : « Depuis le second semestre de l’année dernière, les chargeurs GaN sont commercialisés en grande quantité. Nous recevons chaque mois des commandes pour 2 à 3 chargeurs personnalisés, et le marché des composants, représenté par des marques tierces, est en constante progression. Les chargeurs au nitrure de gallium d’une puissance de 60 à 100 W sont progressivement devenus la norme sur le marché. »

La configuration de 65 W est devenue la norme pour les chargeurs au nitrure de gallium. Li Wenhui explique ce phénomène par deux raisons principales. Premièrement, Xiaomi, OPPO et Huawei ont successivement lancé sur le marché des chargeurs au nitrure de gallium de 65 W, créant ainsi une forte demande. Deuxièmement, la puissance requise pour les adaptateurs secteur des ordinateurs portables est généralement de 65 W, et la plupart des nouveaux ordinateurs portables sont équipés de ports USB-C. Les chargeurs au nitrure de gallium adoptent des conceptions à deux ou trois ports, prenant en compte le port USB-A, ce qui permet de recharger un plus grand nombre d'appareils mobiles.

Concernant l'évolution du marché de la charge rapide, M. Zhou, directeur des ventes chez Innosec, a souligné que les normes USB PD et Type-C allaient révolutionner les chargeurs. L'année dernière, la charge rapide USB PD et Type-C s'est largement répandue sur les ordinateurs portables. Au cours du second semestre, les fabricants d'outillage électroportatif et de petit électroménager ont également commencé à adopter la charge rapide USB PD. Les principaux fabricants de téléphones mobiles et d'ordinateurs se rapprochent progressivement de cette norme. Par ailleurs, la consommation énergétique des téléphones 5G a considérablement augmenté. La capacité des batteries des smartphones les plus courants dépasse généralement les 4 000 mAh. Le chargeur au nitrure de gallium de 65 W permet une charge complète en 45 minutes et une charge de 20 à 30 % en 10 minutes, ce qui permet de recharger son téléphone sans angoisse.

Photo : Zou Yanbo, responsable des applications produits chez Innosec

Zou Yanbo, responsable des applications produits chez Innosec, a analysé que la configuration 65 W pourrait devenir la norme, principalement en raison de la demande des clients et des consommateurs pour des produits économiques. Bien que les performances de la charge rapide au nitrure de gallium (100 W à 200 W) aient été considérablement améliorées, l'augmentation du nombre de circuits imprimés nécessaires entraîne une augmentation de la taille et du prix. Cette technologie est principalement utilisée pour charger les ordinateurs portables de jeu, et la demande actuelle ne devrait pas croître significativement.

Conformément aux exigences du réseau électrique national, les alimentations à découpage de plus de 75 W doivent intégrer un circuit PFC afin d'améliorer le facteur de puissance et les caractéristiques de charge. Les chargeurs au nitrure de gallium haute puissance doivent également être équipés de circuits PFC, ce qui augmente considérablement leur coût. Or, les consommateurs recherchent des produits économiques. Un chargeur de 65 W convient à la charge universelle des téléphones portables et des ordinateurs portables. Son coût reste ainsi raisonnable, ce qui encourage les consommateurs à passer des chargeurs au silicium aux chargeurs au nitrure de gallium de nouvelle génération.

Les puces en nitrure de gallium d'Innosec ont été utilisées dans des chargeurs rapides mono-port C de 100 W, des chargeurs rapides multi-ports de 100 W, des chargeurs rapides ultra-minces mono-port C de 65 W, des alimentations LED de 150 W, des lidars à double canal et d'autres types de produits.

Image : Démonstration de charge rapide multiport 100 W utilisant une puce Innosec

Lors du salon virtuel CES 2021, le chargeur Omega, équipé de deux circuits intégrés de puissance NanoVis GaNFast (NV6127), a remporté le prix de l'innovation. Il s'agit du plus petit chargeur au monde pour appareils 200 W au nitrure de gallium, jusqu'à 66 % plus compact que les chargeurs traditionnels. Il est compatible avec les appareils des principaux fabricants, tels qu'Apple, Samsung, Huawei, Qualcomm, OPPO et Vivo.

Figure : Mini chargeur 200 W utilisant une puce de puissance nanomicro

Wu Junjun, directeur commercial de Nitrogen Silicon Technology, a présenté aux journalistes leur gamme de produits de charge rapide 65 W, comprenant les modèles mini PD, 1A1C et 2C1A. Les versions mini PD et 1C1A sont entièrement fabriquées en Chine, intégrant des circuits intégrés de contrôle, de redressement synchrone et de protocole. Par ailleurs, dans le domaine des charges haute puissance de 120 W, Nitrogen Silicon a résolu le problème d'interférences de circuit des systèmes de charge rapide au nitrure de gallium à topologie PFC+LLC existants après plusieurs mois de recherche et développement, et a lancé une solution de charge rapide 2C1A de 120 W.

Sur Bilibili, nous avons pris connaissance des commentaires d'un consommateur :

Un journaliste surnommé « Yijiu Wuqi » a déclaré qu'à la conférence de presse du Xiaomi 11, il n'avait pas accordé beaucoup d'attention aux téléphones portables de Xiaomi. En revanche, il avait été très impressionné par le chargeur au nitrure de gallium de 65 W de Xiaomi. Dès la fin de la conférence, il s'est rendu sur le site officiel pour commander ce chargeur.

Il a expliqué que les principaux inconvénients des chargeurs traditionnels sont leur taille, leur format dédié et leur encombrement. Possédant plusieurs appareils, il souhaite notamment pouvoir les recharger avec un seul chargeur lors de ses déplacements professionnels. Le chargeur au nitrure de gallium 65 W de Xiaomi est trois fois plus petit qu'un chargeur traditionnel en silicium. Il a testé le chargeur au nitrure de gallium à un port de Xiaomi et s'est dit globalement satisfait de ses performances de charge. Par ailleurs, il a également testé d'autres chargeurs au nitrure de gallium à deux ports disponibles sur le marché et a constaté que lors de la charge simultanée de plusieurs appareils, le port USB-A était déconnecté tandis que le port USB-C fonctionnait normalement. Les deux ports interfèrent donc mutuellement. Enfin, il a testé le chargeur au nitrure de gallium 65 W avec un MacBook Pro d'Apple et n'a rencontré aucun problème pour naviguer sur Internet, regarder des vidéos et effectuer du montage vidéo.

Les puces en nitrure de gallium sont-elles en rupture de stock ? La mise en place d’une chaîne de valeur écologique dynamise le marché des chargeurs.

Le taux de pénétration du marché des alimentations GaN augmente progressivement et de nombreux fabricants déploient activement leurs solutions. Bien que ce marché reste relativement modeste comparé à celui des alimentations en silicium (32.8 milliards de dollars), Yole prévoit une croissance de 55 % entre 2021 et 2023, pour atteindre 420 millions de dollars en 2023. Actuellement, les trois principaux fournisseurs mondiaux de solutions de charge rapide à base de puces en nitrure de gallium sont Navitas (Irlande), Power Integrations (États-Unis) et Innosec (Chine).

Au dernier trimestre de l'année dernière, les pénuries de semi-conducteurs ont commencé à s'aggraver. En ce début d'année 2021, ces pénuries ne semblent pas près de s'atténuer. Les pénuries de microcontrôleurs (MCU), de puces Bluetooth, de puces NOR Flash pour casques audio sans fil (TWS) et de puces automobiles se propagent à travers le monde. Selon des sources internes au secteur, l'insuffisance de capacité de production des usines de semi-conducteurs 8 pouces persistera jusqu'à la fin du premier semestre. Pour résoudre durablement ce problème, les fabricants de puces n'ont d'autre choix que de transférer les commandes des fonderies 8 pouces vers la production 12 pouces. Un analyste taïwanais estime que la situation mondiale concernant la capacité de production 8 pouces ne s'améliorera pas au cours du premier semestre. Pour les fabricants de puces en aval, la capacité de production qu'ils pourront obtenir des fonderies de plaquettes aura un impact direct sur leurs performances.

« De nombreuses usines de semi-conducteurs ont augmenté leurs prix cette année et leur capacité de production est limitée. Cette année, les chargeurs au nitrure de gallium sont particulièrement nombreux sur le marché. Qu'en est-il de l'approvisionnement en puces de puissance au nitrure de gallium ? » Li Wenhui, directeur des ventes de Navitas Semiconductor, a répondu aux journalistes : « La puce GaNFast au nitrure de gallium lancée par Navitas utilise des lignes de production dédiées. Navitas est le plus gros client de la ligne de production GaN de TSMC. Nous entretenons une coopération d'approvisionnement de longue date et les délais de livraison restent similaires à ceux de l'année dernière. Xiaomi et OPPO approvisionnent normalement et les consommateurs peuvent acheter des chargeurs utilisant des puces de puissance au nitrure de gallium nanométriques par les circuits de distribution habituels. »

Les experts du secteur ont souligné que les chargeurs rapides au nitrure de gallium (GaN) comprennent principalement deux composants essentiels : une puce de gestion de l'alimentation et un composant discret de puissance. Le schéma de démontage révèle que le chargeur se compose de quatre parties principales : un dispositif de puissance au GaN, une puce de protocole et une puce de contrôle principale, une puce de redressement synchrone, ainsi que des circuits et des condensateurs. Li Wenhui, directeur des ventes chez Navitas Semiconductor, a indiqué que seule la coopération des fabricants de puces de puissance au GaN, de puces de protocole, de puces de redressement synchrone et de contrôleurs principaux peut favoriser la croissance rapide du marché des chargeurs GaN. Par exemple, un chargeur au GaN 2A2C de 65 W est équipé d'un ou deux circuits intégrés de puissance, de puces de contrôle principales (ON Semiconductor/Xinyuan) et de quatre puces de protocole (Cypress/Zhirong). Ainsi, le développement coordonné de l'ensemble de la chaîne de valeur peut garantir l'approvisionnement et le cercle vertueux du marché des chargeurs au GaN.

Pour assurer un développement rapide des puces en nitrure de gallium, il est essentiel de garantir les capacités de production. Zhou Yi, directeur des ventes d'Innosec, estime que seule l'adoption du modèle IDM, intégrant la conception et la fabrication des puces et permettant une maîtrise complète de la chaîne de valeur, permettra aux entreprises chinoises de résoudre leurs problèmes de capacité de production.

En 2018, la capacité de production de l'usine de fabrication de plaquettes de 8 pouces d'Innosec à Zhuhai a atteint 4 000 plaquettes par mois. Dès 2018, Innosec prévoyait de construire une usine de plaquettes de plus grande envergure. Le 19 septembre 2020, la troisième génération de son site de production de semi-conducteurs à Suzhou a accueilli ses nouveaux équipements. Une fois sa pleine capacité atteinte, l'usine devrait produire 65 000 plaquettes de nitrure de gallium (GTN) à base de silicium de 8 pouces par mois. La gamme de produits de l'entreprise couvre l'ensemble des puces GTN de 30 V à 650 V. Ces produits fourniront des composants électroniques essentiels à l'innovation et au développement de secteurs émergents stratégiques tels que la 5G, les centres de données, les véhicules à énergies nouvelles, la conduite autonome et la recharge rapide pour téléphones mobiles.

Le développement rapide d'Innosec a également permis l'ouverture de la filière nationale des puces en nitrure de gallium et des composants périphériques. Lors du démontage d'un chargeur Innosec 20 W GaN, nous avons constaté que la puce de protocole provenait de Huinengtai et la puce de contrôle de Nanxin Semiconductor. Avec l'arrivée continue de fabricants nationaux, la filière nationale du nitrure de gallium s'est progressivement structurée, permettant une production à grande échelle tout en garantissant la qualité. Zhou a révélé que plus de 40 partenaires d'Innosec produisent en série des chargeurs en nitrure de gallium. Au cours des deux prochaines années, le volume de production des produits en nitrure de gallium basse tension augmentera progressivement. Outre les chargeurs, les puces en nitrure de gallium trouvent également des applications dans les secteurs industriel, des centres de données d'intelligence artificielle et du lidar.

Actuellement, les cellules GaN produites en Chine sont essentiellement des cellules basse consommation, principalement pour deux raisons : d’une part, le seuil de complexité du procédé de fabrication du GaN est très élevé et la technologie n’est pas encore totalement mature ; d’autre part, le circuit intégré de gestion de l’alimentation doit être repensé et les solutions existantes ne sont pas réutilisables. De nombreuses start-ups chinoises sont impliquées dans ce domaine, mais il reste à voir laquelle parviendra à s’imposer sur le marché. Le GaN utilise des matériaux hétéroépitaxiaux, ce qui pose d’importants défis en matière de conception et de fabrication. Il existe très peu de lignes de production de GaN matures et capables de produire du matériel en série dans le monde.

Le coût des chargeurs GaN est deux fois supérieur à celui des chargeurs traditionnels, mais il diminue de 20 à 30 % par an. Je suis convaincu que l'adoption généralisée des chargeurs au nitrure de gallium par de nombreux fabricants de téléphones mobiles, tels qu'Apple, Huawei et Xiaomi, ouvrira de nouvelles perspectives de développement sur ce marché très concurrentiel. Les fabricants maîtrisant la conception, possédant une expertise technique et une capacité de production de GaN, pourront se démarquer.

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