隨著GaN技術(shù)的快速發(fā)展，使得GaN電力電子器件已經(jīng)成為了Si基MOSFET有力競爭者。另一方面，除性能以外，價(jià)格成本的迅速下降也是GaN電力電子器件在消費(fèi)類電源產(chǎn)品市場突破的重要因素。

同時(shí)，無線充電、新能源汽車、激光雷達(dá)等新興市場的影響力也不容小覷。
 

功率半導(dǎo)體由功率分立器件、功率模組和功率集成電路三部份組成，是用于電源電路和功率控制電路的主體產(chǎn)品。主要得益于4C產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，功率半導(dǎo)體需求十分旺盛，任何電子、機(jī)電設(shè)備都需要電源電路，且都要對被控對象的功率進(jìn)行一定控制。
 

功率半導(dǎo)體經(jīng)過半世紀(jì)的發(fā)展現(xiàn)已種類繁多，主要有雙極型功率器件、二極管、可控硅、微波功率器件、功率驅(qū)動電路、MOSFET、IGBT及功率集成電路（PIC）等。在生產(chǎn)制造技術(shù)上采用大規(guī)模集成電路的制造工藝，線寬為0.8～0.5μm，最小達(dá)到0.35μm。
 

據(jù) Omdia 預(yù)測，2020年全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模約430億美元，至2024年將達(dá)到525億美元，復(fù)合增速約為5%。其中分立器件的市場規(guī)模約158億美元左右，約占整個(gè)功率半導(dǎo)體市場的三分之一。

各種硅基功率器件發(fā)展到現(xiàn)在，各種參數(shù)已經(jīng)達(dá)到或者接近理論值，在此基礎(chǔ)上，以GaN、SiC為代表的第三代半導(dǎo)體開始引起重視。目前，第三代半導(dǎo)體材料主要用來制作功率分立器件，又稱電力電子器件。
 

第三代半導(dǎo)體電力電子器件市場成長空間廣闊。據(jù) Yole數(shù)據(jù)預(yù)測，第三代半導(dǎo)體電力電子器件（包括SiC和GaN）在2021年達(dá)到近10億美元，受益于新能源汽車、電力和光伏（PV）逆變器等方面的需求增長，近十年（2018-2027年），全球?qū)捊麕О雽?dǎo)體電力電子市場將進(jìn)入騰飛階段，年均增速接近45%，這意味著2027年其市場規(guī)模將達(dá)到100億美元。其中GaN電力電子器件2027年的國際市場總規(guī)模將接近59億美元。

GaN電力電子市場發(fā)展迅猛，未來市場空間巨大。Yole預(yù)計(jì)到2025年GaN電力電子器件市場預(yù)計(jì)將超過15億美元。其中在電源設(shè)備方面的市場應(yīng)用占到了GaN電力電子器件市場規(guī)模的一半以上。GaN電力電子器件最典型應(yīng)用是電源設(shè)備(包括工業(yè)級不間斷電源UPS和消費(fèi)類電源)。由于結(jié)構(gòu)中包含可以實(shí)現(xiàn)高速性能的異質(zhì)結(jié)二維電子氣，GaN器件相比于SiC器件擁有更高的工作頻率，加之其最低閾值電壓要低于SiC器件，所以GaN電力電子器件更適合對高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領(lǐng)域，如輕量化的消費(fèi)電子電源適配器、無人機(jī)用超輕電源、無線充電設(shè)備等。

 

未來五年內(nèi)，GaN電力電子器件的市場將由以下幾大應(yīng)用牽引：目前滲透率較大的工業(yè)級不間斷電源UPS、包絡(luò)追蹤，滲透率中等的（小型）消費(fèi)類電源設(shè)備、光伏及儲能，未來有較大可能的無線充電、電源新能源汽車以及（汽車）高頻激光雷達(dá)等。
 

隨著GaN技術(shù)的快速發(fā)展，使得GaN電力電子器件已經(jīng)成為了Si基MOSFET有力競爭者。另一方面，除性能以外，價(jià)格成本的迅速下降也是GaN電力電子器件在消費(fèi)類電源產(chǎn)品市場突破的重要因素。
 

4.消費(fèi)類電源市場將成為GaN電力電子市場最大的推動力

 

消費(fèi)電子市場對電源產(chǎn)品的小型化、快速化以及低發(fā)熱量有強(qiáng)烈的需求，這成為GaN器件在消費(fèi)類電源市場的主要驅(qū)動力。GaN電力電子的尺寸非常細(xì)小及纖薄，這種特性對于消費(fèi)類電源尤其是移動設(shè)備等產(chǎn)品來說十分有利。

基于GaN電力電子器件性能的優(yōu)越性，最早找到突破口的市場是手機(jī)充電頭，便攜的快速充電設(shè)備逐步深入人心。從手機(jī)出發(fā)，逐步覆蓋到平板電腦、筆記本電腦、顯示器、電動工具、IoT設(shè)備等市場。
 

從2018年開始，GaN技術(shù)開始在快充產(chǎn)品中應(yīng)用，并在隨后的兩年中迅速成為主流，引領(lǐng)了快充市場新風(fēng)向。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前為止,國內(nèi)外至少有60家生產(chǎn)制造GaN快充產(chǎn)品的廠商，可提供的GaN PD快充產(chǎn)品超過100款，無論是從廠家數(shù)量還是產(chǎn)品種類方面相比2019年底都有了翻倍的增長。市面上GaN快充產(chǎn)品大部分功率在30W-100W，能滿足大部分的手機(jī)、平板電腦的充電功率需求。
 

GaN電力電子器件具有更高的功率密度，采用GaN的充電器體積小（僅為原來的1/4）、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱低、安全性強(qiáng)，較普通充電器有顯著優(yōu)勢。根據(jù)內(nèi)部電路架構(gòu)的不同，約使用1-2顆的GaN電力電子器件，平均轉(zhuǎn)換效率約能達(dá)到90%左右。
 

GaN電力電子器件目前雖然被大眾熟知的基本只有快充領(lǐng)域，但實(shí)際上其早就在工業(yè)電源領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用，但之前由于成本偏高，在消費(fèi)領(lǐng)域沒有太多推廣。隨著GaN-on-Si電力電子器件成本的下降，下游應(yīng)用廠家及配套企業(yè)開始積極布局GaN快充市場。但隨著近兩年來國內(nèi)外產(chǎn)線產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，制造技術(shù)的逐漸成熟，GaN電力電子器件的成本已經(jīng)達(dá)到了廠商采購的甜蜜點(diǎn)。從IDM廠商給出的生產(chǎn)成本來看，目前GaN電力電子器件成本已經(jīng)接近Si。
 

據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，全球智能設(shè)備年均新增出貨量超 20 億臺，隨著GaN在該市場的滲透提速，未來幾年消費(fèi)類電源快充市場將成為GaN電力電子最大的推動力。
 

不僅僅是手機(jī)快充，GaN未來幾乎可以應(yīng)用于所有的消費(fèi)類電源模塊市場，如白家電、3c產(chǎn)品，可以想象到未來市場有多么巨大。
 

目前，國際已經(jīng)有電腦廠家在新推出的新品電腦中，標(biāo)配了內(nèi)置GaN功率芯片電腦電源適配器；國內(nèi)已經(jīng)有手機(jī)廠家在量產(chǎn)內(nèi)置GaN功率芯片的產(chǎn)品；據(jù)了解，OLED為了追求更輕薄的尺寸，也有廠商在考慮采用GaN電力電子器件。
 

另外很多半導(dǎo)體器件IDM巨頭企業(yè)都對GaN關(guān)注已久，希望通過快充市場的帶動作用，加速推動下游企業(yè)的對GaN的采用，從而正向刺激上、中游市場在產(chǎn)量和技術(shù)方面進(jìn)步，使得GaN材料的市場化進(jìn)程更進(jìn)一步。
 

無線感應(yīng)充電主要應(yīng)用集中在消費(fèi)類電器、新能源汽車以及工業(yè)電源三大領(lǐng)域。就目前的技術(shù)發(fā)展情況來看，消費(fèi)類電源同樣將成為GaN無線感應(yīng)充電市場的市場切入點(diǎn)。
 

目前設(shè)備中的感應(yīng)充電器沒有使用GaN電力電子器件，采用的是傳統(tǒng)的磁感線圈技術(shù)，工作頻率在100至300KHz，并使用E、F及S類放大器的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。這種方法其工作頻率很低，充電速度較慢，且隨著距離的增加，效率會急劇下降。近來業(yè)界團(tuán)體如消費(fèi)電子協(xié)會及無線感應(yīng)充電聯(lián)盟(A4WP)提出無線充電系統(tǒng)需要一個(gè)更高的頻率標(biāo)準(zhǔn)(6.78 MHz)，在更高的頻率下，傳統(tǒng)的Si基MOSFET的開關(guān)性能已接近它的極限，而GaN電力電子器件則可以滿足使用需求，并提供更高的使用效率。
 

GaN被視為推動無線感應(yīng)高頻充電方案的電力傳送的技術(shù)，因?yàn)檫@種無線充電方案具備可以在高頻、高壓及高功率下工作的性能。這種無線感應(yīng)充電傳送通過諧振式耦合線圈驅(qū)動以增強(qiáng)電源傳送性能，要實(shí)現(xiàn)這種無線 充電方案的最大挑戰(zhàn)是放大器的設(shè)計(jì)，而基于GaN電力電子器件的放大器拓?fù)涫亲罴训臒o線感應(yīng)充電傳送解決方案。由于GaN場效應(yīng)晶體管具備低電容、零反向恢復(fù)及低導(dǎo)通阻抗等優(yōu)勢，因此可確保低功耗，從而提高放大器的效率及確保低電 磁干擾。因此無線感應(yīng)充電市場是GaN電力電子在未來的應(yīng)用中最為看好的市場之一，但目前由于GaN的技術(shù)不成熟、可靠性問題和高昂的成本，GaN在無線感應(yīng)充電充電領(lǐng)域中的滲透有限。
 

現(xiàn)階段大型移動設(shè)備廠商（如蘋果、華為、三星等）一直在研發(fā)高頻無線感應(yīng)充電產(chǎn)品來提升移動產(chǎn)品的無線充電性能。一旦GaN高頻無線充電技術(shù)成熟之后，各大移動設(shè)備廠商將大量采用GaN電力電子器件，GaN電力電子器件年均增速將超過200%。
 

新能源汽車市場上已經(jīng)有寶馬等中高端汽車廠商早在2018年就開始嘗試配備集成無線感應(yīng)充電系統(tǒng)的新能源汽車，但由于目前的充電效率有待提升，且造價(jià)也相對較高，因此新能源汽車中的無線感應(yīng)充電有望成為未來高端電動車的一種選擇。

 

 

GaN可用于48V DC/DC以及OBC(On board charger 車載充電機(jī))。新能源汽車無疑是電力電子器件市場的主要驅(qū)動力，也是不同技術(shù)路線（Si、SiC和GaN）的主要爭奪市場。
 

從技術(shù)上而言，GaN電力電子器件在48V的混合動力汽車領(lǐng)域?qū)碛休^強(qiáng)的競爭力，SiC更適合大功率主逆變器，Si基GaN電力電子技術(shù)更適合小功率DC/DC和AC/DC轉(zhuǎn)換器。預(yù)計(jì)到2025年，大部分的輕型車將采用48V逆變器。
 

同時(shí)GaN電力電子器件也可用于車載充電器（OBC）。目前部分企業(yè)正在設(shè)計(jì)與SiC與GaN兼容的OBC解決方案，一旦GaN技術(shù)達(dá)到了企業(yè)的技術(shù)和成本目標(biāo)，GaN在新能源汽車OBC上的使用可能性將會大大提升。
 

但目前為止盡管GaN技術(shù)前景廣闊，但在新能源汽車上的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)情況并不樂觀。必須指出的是，由于在新能源汽車的應(yīng)用中，對器件穩(wěn)定性和可靠性的要求非常高，需要長時(shí)間的質(zhì)量認(rèn)證過程，在此過程中需要投入大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)；而SiC電力電子器件也將在如新能源汽車等領(lǐng)域與GaN電力電子器件的形成直接的競爭。在這種情況下，GaN電力電子器件在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展可能還需要較長時(shí)間。
 

另外，高頻激光雷達(dá)、包絡(luò)追蹤等應(yīng)用都是GaN電力電子器件新興的應(yīng)用市場，基于GaN電力電子器件的性能優(yōu)越性，未來市場預(yù)期較好，據(jù)Yole的預(yù)測，上述應(yīng)用市場在未來5年的年均增速超過65%，部分廠商會已經(jīng)在高端設(shè)備上采用GaN電力電子器件。因此GaN電力電子器件未來的市場發(fā)展情況除了受到現(xiàn)有的既定市場的影響之外，新興市場的影響力也不容小覷。