GaN电力电子器件的现在与未来

今日半导体 2021-05-12 23:13

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来源作者朱航欧转集微网

随着GaN技术的快速发展，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，价格成本的迅速下降也是GaN电力电子器件在消费类电源产品市场突破的重要因素。

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年全球功率半导体市场规模超过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组成，是用于电源电路和功率控制电路的主体产品。主要得益于4C产业的迅速发展，功率半导体需求十分旺盛，任何电子、机电设备都需要电源电路，且都要对被控对象的功率进行一定控制。

功率半导体经过半世纪的发展现已种类繁多，主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。在生产制造技术上采用大规模集成电路的制造工艺，线宽为0.8～0.5μm，最小达到0.35μm。

据 Omdia 预测，2020年全球功率半导体市场规模约430亿美元，至2024年将达到525亿美元，复合增速约为5%。其中分立器件的市场规模约158亿美元左右，约占整个功率半导体市场的三分之一。

各种硅基功率器件发展到现在，各种参数已经达到或者接近理论值，在此基础上，以GaN、SiC为代表的第三代半导体开始引起重视。目前，第三代半导体材料主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成长空间广阔。据 Yole数据预测，第三代半导体电力电子器件（包括SiC和GaN）在2021年达到近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长，近十年（2018-2027年），全球宽禁带半导体电力电子市场将进入腾飞阶段，年均增速接近45%，这意味着2027年其市场规模将达到100亿美元。其中GaN电力电子器件2027年的国际市场总规模将接近59亿美元。

3.GaN电力电子器件增速迅猛，2025年超过15亿美元

GaN电力电子市场发展迅猛，未来市场空间巨大。Yole预计到2025年GaN电力电子器件市场预计将超过15亿美元。其中在电源设备方面的市场应用占到了GaN电力电子器件市场规模的一半以上。GaN电力电子器件最典型应用是电源设备(包括工业级不间断电源UPS和消费类电源)。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气，GaN器件相比于SiC器件拥有更高的工作频率，加之其最低阈值电压要低于SiC器件，所以GaN电力电子器件更适合对高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域，如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。

GaN电力电子器件应用市场占比

未来五年内，GaN电力电子器件的市场将由以下几大应用牵引：目前渗透率较大的工业级不间断电源UPS、包络追踪，渗透率中等的（小型）消费类电源设备、光伏及储能，未来有较大可能的无线充电、电源新能源汽车以及（汽车）高频激光雷达等。

4.消费类电源市场将成为GaN电力电子市场最大的推动力

消费电子市场对电源产品的小型化、快速化以及低发热量有强烈的需求，这成为GaN器件在消费类电源市场的主要驱动力。GaN电力电子的尺寸非常细小及纤薄，这种特性对于消费类电源尤其是移动设备等产品来说十分有利。

基于GaN电力电子器件性能的优越性，最早找到突破口的市场是手机充电头，便携的快速充电设备逐步深入人心。从手机出发，逐步覆盖到平板电脑、笔记本电脑、显示器、电动工具、IoT设备等市场。

从2018年开始，GaN技术开始在快充产品中应用，并在随后的两年中迅速成为主流，引领了快充市场新风向。据不完全统计，目前为止,国内外至少有60家生产制造GaN快充产品的厂商，可提供的GaN PD快充产品超过100款，无论是从厂家数量还是产品种类方面相比2019年底都有了翻倍的增长。市面上GaN快充产品大部分功率在30W-100W，能满足大部分的手机、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，采用GaN的充电器体积小（仅为原来的1/4）、重量轻、转换效率高、发热低、安全性强，较普通充电器有显著优势。根据内部电路架构的不同，约使用1-2颗的GaN电力电子器件，平均转换效率约能达到90%左右。

Navitas GaN 单管应用举例

GaN电力电子器件目前虽然被大众熟知的基本只有快充领域，但实际上其早就在工业电源领域有了一定的应用，但之前由于成本偏高，在消费领域没有太多推广。随着GaN-on-Si电力电子器件成本的下降，下游应用厂家及配套企业开始积极布局GaN快充市场。但随着近两年来国内外产线产能的不断扩大，制造技术的逐渐成熟，GaN电力电子器件的成本已经达到了厂商采购的甜蜜点。从IDM厂商给出的生产成本来看，目前GaN电力电子器件成本已经接近Si。

据Gartner数据，全球智能设备年均新增出货量超 20 亿台，随着GaN在该市场的渗透提速，未来几年消费类电源快充市场将成为GaN电力电子最大的推动力。

不仅仅是手机快充，GaN未来几乎可以应用于所有的消费类电源模块市场，如白家电、3c产品，可以想象到未来市场有多么巨大。

目前，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功率芯片的产品；据了解，OLED为了追求更轻薄的尺寸，也有厂商在考虑采用GaN电力电子器件。

另外很多半导体器件IDM巨头企业都对GaN关注已久，希望通过快充市场的带动作用，加速推动下游企业的对GaN的采用，从而正向刺激上、中游市场在产量和技术方面进步，使得GaN材料的市场化进程更进一步。

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5.消费类电源将成为GaN无线充电技术突破口

无线感应充电主要应用集中在消费类电器、新能源汽车以及工业电源三大领域。就目前的技术发展情况来看，消费类电源同样将成为GaN无线感应充电市场的市场切入点。

目前设备中的感应充电器没有使用GaN电力电子器件，采用的是传统的磁感线圈技术，工作频率在100至300KHz，并使用E、F及S类放大器的转换器拓扑。这种方法其工作频率很低，充电速度较慢，且随着距离的增加，效率会急剧下降。近来业界团体如消费电子协会及无线感应充电联盟(A4WP)提出无线充电系统需要一个更高的频率标准(6.78 MHz)，在更高的频率下，传统的Si基MOSFET的开关性能已接近它的极限，而GaN电力电子器件则可以满足使用需求，并提供更高的使用效率。

GaN被视为推动无线感应高频充电方案的电力传送的技术，因为这种无线充电方案具备可以在高频、高压及高功率下工作的性能。这种无线感应充电传送通过谐振式耦合线圈驱动以增强电源传送性能，要实现这种无线充电方案的最大挑战是放大器的设计，而基于GaN电力电子器件的放大器拓扑是最佳的无线感应充电传送解决方案。由于GaN场效应晶体管具备低电容、零反向恢复及低导通阻抗等优势，因此可确保低功耗，从而提高放大器的效率及确保低电磁干扰。因此无线感应充电市场是GaN电力电子在未来的应用中最为看好的市场之一，但目前由于GaN的技术不成熟、可靠性问题和高昂的成本，GaN在无线感应充电充电领域中的渗透有限。

现阶段大型移动设备厂商（如苹果、华为、三星等）一直在研发高频无线感应充电产品来提升移动产品的无线充电性能。一旦GaN高频无线充电技术成熟之后，各大移动设备厂商将大量采用GaN电力电子器件，GaN电力电子器件年均增速将超过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年就开始尝试配备集成无线感应充电系统的新能源汽车，但由于目前的充电效率有待提升，且造价也相对较高，因此新能源汽车中的无线感应充电有望成为未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电力电子器件角逐场

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主要驱动力，也是不同技术路线（Si、SiC和GaN）的主要争夺市场。

从技术上而言，GaN电力电子器件在48V的混合动力汽车领域将拥有较强的竞争力，SiC更适合大功率主逆变器，Si基GaN电力电子技术更适合小功率DC/DC和AC/DC转换器。预计到2025年，大部分的轻型车将采用48V逆变器。

同时GaN电力电子器件也可用于车载充电器（OBC）。目前部分企业正在设计与SiC与GaN兼容的OBC解决方案，一旦GaN技术达到了企业的技术和成本目标，GaN在新能源汽车OBC上的使用可能性将会大大提升。

但目前为止尽管GaN技术前景广阔，但在新能源汽车上的应用现实情况并不乐观。必须指出的是，由于在新能源汽车的应用中，对器件稳定性和可靠性的要求非常高，需要长时间的质量认证过程，在此过程中需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领域与GaN电力电子器件的形成直接的竞争。在这种情况下，GaN电力电子器件在新能源汽车领域的应用发展可能还需要较长时间。

7.其他新兴市场是GaN电力电子器件未来中长期的发展领域

另外，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越性，未来市场预期较好，据Yole的预测，上述应用市场在未来5年的年均增速超过65%，部分厂商会已经在高端设备上采用GaN电力电子器件。因此GaN电力电子器件未来的市场发展情况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。