集微征询：GaN电力电子器件的如今取将来

集微网消息，随着GaN技能的快速进展，使得GaN电力电子器件已经成为了Si基MOSFET有力竞争者。另一方面，除性能以外，代价本钱的敏捷降落也是GaN电力电子器件在消耗类电源产物市场突破的紧张身分。

同时，无线充电、新能源汽车、激光雷达等新兴市场的影响力也不容小觑。

1.2020年环球功率半导体市场范围凌驾400亿美元

功率半导体由功率分立器件、功率模组和功率集成电路三部份构成，是用于电源电路和功率操纵电路的主体产物。重要得益于4C财产的敏捷进展，功率半导体需求非常茂盛，任何电子、机电设置装备摆设都必要电源电路，且都要对被控工具的功率举行必然操纵。

功率半导体颠末半世纪的进展现已种类繁多，重要有双极型功率器件、二极管、可控硅、微波功率器件、功率驱动电路、MOSFET、IGBT及功率集成电路（PIC）等。在生产制造技能上采纳大范围集成电路的制造工艺，线宽为0.8～0.5μm，最小到达0.35μm。

据 Omdia 猜测，2020年环球功率半导体市场范围约430亿美元，至2024年将到达525亿美元，复合增速约为5%。此中分立器件的市场范围约158亿美元左右，约占整个功率半导体市场的三分之一。

种种硅基功率器件进展到如今，种种参数已经到达大概靠近理论值，在此底子上，以GaN、SiC为代表的第三代半导体开始引起器重。现在，第三代半导体质料重要用来制作功率分立器件，又称电力电子器件。

2.2027年第三代半导体电力电子器件市场将达100亿美元

第三代半导体电力电子器件市场发展空间宽阔。据 Yole数据猜测，第三代半导体电力电子器件（包罗SiC和GaN）在2021年到达近10亿美元，受益于新能源汽车、电力和光伏（PV）逆变器等方面的需求增进，近十年（2018-2027年），环球宽禁带半导体电力电子市场将进入腾飞阶段，年均增速靠近45%，这意味着2027年其市场范围将到达100亿美元。此中GaN电力电子器件2027年的国际市场总范围将靠近59亿美元。

3.GaN电力电子器件增速迅猛，2025年凌驾15亿美元

GaN电力电子市场进展迅猛，将来市场空间庞大。Yole估计到2025年GaN电力电子器件市场估计将凌驾15亿美元。此中在电源设置装备摆设方面的市场应用占到了GaN电力电子器件市场范围的一半以上。GaN电力电子器件最典范应用是电源设置装备摆设(包罗产业级不中断电源UPS和消耗类电源)。因为布局中包罗可以实现高速性能的异质结二维电子气，GaN器件相比于SiC器件拥有更高的事情频率，加之其最低阈值电压要低于SiC器件，以是GaN电力电子器件更得当对高频率、小体积、本钱敏感、功率要求低的电源范畴，如轻量化的消耗电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设置装备摆设等。

GaN电力电子器件应用市场占比

将来五年内，GaN电力电子器件的市场将由以下几大应用牵引：现在渗入渗出率较大的产业级不中断电源UPS、包络追踪，渗入渗出率中等的（小型）消耗类电源设置装备摆设、光伏及储能，将来有较大大概的无线充电、电源新能源汽车以及（汽车）高频激光雷达等。

随着GaN技能的快速进展，使得GaN电力电子器件已经成为了Si基MOSFET有力竞争者。另一方面，除性能以外，代价本钱的敏捷降落也是GaN电力电子器件在消耗类电源产物市场突破的紧张身分。

4.消耗类电源市场将成为GaN电力电子市场最大的推动力

消耗电子市场对电源产物的小型化、快速化以及低发热量有猛烈的需求，这成为GaN器件在消耗类电源市场的重要驱动力。GaN电力电子的尺寸非常微小及纤薄，这种特性对付消耗类电源尤其是移动设置装备摆设等产物来说非常有利。

基于GaN电力电子器件性能的优胜性，最早找到突破口的市场是手机充电头，便携的快速充电设置装备摆设渐渐深入民气。从手机动身，渐渐笼罩到平板电脑、条记本电脑、表现器、电动东西、IoT设置装备摆设等市场。

从2018年开始，GaN技能开始在快充产物中应用，并在随后的两年中敏捷成为主流，引领了快充市场新风向。据不完全统计，现在为止,国表里至少有60家生产制造GaN快充产物的厂商，可提供的GaN PD快充产物凌驾100款，无论是从厂派别量照旧产物种类方面相比2019年末都有了翻倍的增进。市道市情上GaN快充产物大部门功率在30W-100W，能餍足大部门的手机、平板电脑的充电功率需求。

GaN电力电子器件具有更高的功率密度，采纳GaN的充电器体积小（仅为本来的1/4）、重量轻、转换服从高、发热低、宁静性强，较一般充电器有明显上风。依据内部电路架构的差别，约利用1-2颗的GaN电力电子器件，均匀转换服从约能到达90%左右。

Navitas GaN 单管应用举例

GaN电力电子器件现在固然被大众熟知的根本只有快充范畴，但现实上其早就在产业电源范畴有了必然的应用，但之前因为本钱偏高，在消耗范畴没有太多推广。随着GaN-on-Si电力电子器件本钱的降落，卑鄙应用厂家及配套企业开始积极结构GaN快充市场。但随着近两年来国表里产线产能的不停扩大，制造技能的渐渐成熟，GaN电力电子器件的本钱已经到达了厂商采购的甜蜜点。从IDM厂商给出的生产本钱来看，现在GaN电力电子器件本钱已经靠近Si。

据Gartner数据，环球智能设置装备摆设年均新增出货量超 20 亿台，随着GaN在该市场的渗入渗出提速，将来几年消耗类电源快充市场将成为GaN电力电子最大的推动力。

不但仅是手机快充，GaN将来险些可以应用于全部的消耗类电源模块市场，如白家电、3c产物，可以想象到将来市场有何等庞大。

现在，国际已经有电脑厂家在新推出的新品电脑中，标配了内置GaN功率芯片电脑电源适配器；国内已经有手机厂家在量产内置GaN功率芯片的产物；据相识，OLED为了寻求更浮滑的尺寸，也有厂商在思量采纳GaN电力电子器件。

别的许多半导体器件IDM巨擘企业都对GaN存眷已久，盼望通过快充市场的动员作用，加快推动卑鄙企业的对GaN的采纳，从而正向刺激上、中游市场在产量和技能方面前进，使得GaN质料的市场化历程更进一步。

5.消耗类电源将成为GaN无线充电技能突破口

无线感到充电重要应用会合在消耗类电器、新能源汽车以及产业电源三大范畴。就现在的技能进展情形来看，消耗类电源同样将成为GaN无线感到充电市场的市场切入点。

现在设置装备摆设中的感到充电器没有利用GaN电力电子器件，采纳的是传统的磁感线圈技能，事情频率在100至300KHz，并利用E、F及S类放大器的转换器拓扑。这种要领其事情频率很低，充电速率较慢，且随着间隔的增添，服从会急剧降落。迩来业界团体如消耗电子协会及无线感到充电同盟(A4WP)提出无线充电体系必要一个更高的频率尺度(6.78 MHz)，在更高的频率下，传统的Si基MOSFET的开关性能已靠近它的极限，而GaN电力电子器件则可以餍足利用需求，并提供更高的利用服从。

GaN被视为推动无线感到高频充电方案的电力传送的技能，由于这种无线充电方案具备可以在高频、高压及高功率下事情的性能。这种无线感到充电传送通过谐振式耦合线圈驱动以加强电源传送性能，要实现这种无线 充电方案的最大挑衅是放大器的设计，而基于GaN电力电子器件的放大器拓扑是最佳的无线感到充电传送办理方案。因为GaN场效应晶体管具备低电容、零反向规复及低导通阻抗等上风，是以可确保低功耗，从而进步放大器的服从及确保低电 磁滋扰。是以无线感到充电市场是GaN电力电子在将来的应用中最为看好的市场之一，但现在因为GaN的技能不可熟、可靠性题目和奋发的本钱，GaN在无线感到充电充电范畴中的渗入渗出有限。

现阶段大型移动设置装备摆设厂商（如苹果、华为、三星等）一向在研发高频无线感到充电产物来提拔移动产物的无线充电性能。一旦GaN高频无线充电技能成熟之后，各大移动设置装备摆设厂商将大量采纳GaN电力电子器件，GaN电力电子器件年均增速将凌驾200%。

新能源汽车市场上已经有宝马等中高端汽车厂商早在2018年就开始实验配备集成无线感到充电体系的新能源汽车，但因为现在的充电服从有待提拔，且造价也相对较高，是以新能源汽车中的无线感到充电有望成为将来高端电动车的一种选择。

6.新能源汽车市场或将成为SiC与GaN电力电子器件比赛场

GaN可用于48V DC/DC以及OBC(On board charger 车载充电机)。新能源汽车无疑是电力电子器件市场的重要驱动力，也是差别技能门路（Si、SiC和GaN）的重要争取市场。

从技能上而言，GaN电力电子器件在48V的混淆动力汽车范畴将拥有较强的竞争力，SiC更得当大功率主逆变器，Si基GaN电力电子技能更得当小功率DC/DC和AC/DC转换器。估计到2025年，大部门的轻型车将采纳48V逆变器。

同时GaN电力电子器件也可用于车载充电器（OBC）。现在部门企业正在设计与SiC与GaN兼容的OBC办理方案，一旦GaN技能到达了企业的技能和本钱目的，GaN在新能源汽车OBC上的利用大概性将会大大提拔。

但现在为止只管GaN技能远景宽阔，但在新能源汽车上的应用实际情形并不乐观。一定指出的是，因为在新能源汽车的应用中，对器件稳健性和可靠性的要求非常高，必要永劫间的质量认证历程，在此历程中必要投入大量的研发经费；而SiC电力电子器件也将在如新能源汽车等范畴与GaN电力电子器件的形成直接的竞争。在这种情形下，GaN电力电子器件在新能源汽车范畴的应用进展大概还必要较永劫间。

7.其他新兴市场是GaN电力电子器件将来中恒久的进展范畴

别的，高频激光雷达、包络追踪等应用都是GaN电力电子器件新兴的应用市场，基于GaN电力电子器件的性能优胜性，将来市场预期较好，据Yole的猜测，上述应用市场在将来5年的年均增速凌驾65%，部门厂商会已经在高端设置装备摆设上采纳GaN电力电子器件。是以GaN电力电子器件将来的市场进展情形除了受到现有的既定市场的影响之外，新兴市场的影响力也不容小觑。

作者｜朱航欧 校对｜集微网