电力电子器件(GaN电力电子器件的现在与未来)

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电力电子器件(GaN电力电子器件的现在与未来)

随着GaN技巧的迅速发展,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,价钱成本的快速降低也是GaN电力电子器件在花费类电源产品市场突破的主要因素。

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范围超过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掌握电路的主体产品。重要得益于4C产业的快速发展,功率半导体需求十分兴旺,任何电子、机电装备都须要电源电路,且都要对被控对象的功率进行必定掌握。

功率半导体经过半世纪的发展示已种类繁多,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。在生产制作技巧上采取大范围集成电路的制作工艺,线宽为0.8~0.5m,最小到达0.35m。

据 Omdia 预测,2020年全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%。其中分立器件的市场范围约158亿美元左右,约占全部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,各种参数已经到达或者接近理论值,在此基本上,以GaN、SiC为代表的第三代半导体开端引起看重。目前,第三代半导体材质重要用来制造功率分立器件,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辽阔。据 Yole数据预测,第三代半导体电力电子器件(包含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加,近十年(2018-2027年),全球宽禁带半导体电力电子市场将进入起飞阶段,年均增速接近45%,这意味着2027年其市场范围将到达100亿美元。其中GaN电力电子器件2027年的国际市场总范围将接近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,未来市场空间伟大。Yole预计到2025年GaN电力电子器件市场预计将超过15亿美元。其中在电源装备方面的市场运用占到了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运用是电源装备(包含工业级不间断电源UPS和花费类电源)。由于构造中包括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电力电子器件更合适对高频率、小体积、成本敏感、功率请求低的电源范畴,如轻量化的花费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电装备等。

GaN电力电子器件运用市场占比

未来五年内,GaN电力电子器件的市场将由以下几大运用牵引: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)花费类电源装备、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。

随着GaN技巧的迅速发展,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,价钱成本的快速降低也是GaN电力电子器件在花费类电源产品市场突破的主要因素。

4.花费类电源市场将成为GaN电力电子市场最大的推进力

花费电子市场对电源产品的小型化、迅速化以及低发热量有强烈的需求,这成为GaN器件在花费类电源市场的重要驱动力。GaN电力电子的尺码非常渺小及纤薄,这种特征对于花费类电源尤其是移动装备等产品来说十分有利。

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,便携的迅速充电装备逐步深刻人心。从手机动身,逐步笼罩到平板电脑、笔记本电脑、显示器、电动工具、IoT装备等市场。

从2018年百思特网开端,GaN技巧开端在快充产品中运用,并在随后的两年中快速成为主流,引领了快充市场新风向。据不完整统计,目前为止,国内外至少有60家生产制作GaN快充产品的厂商,可供给的GaN PD快充产品超过100款,无论是从厂家数目还是产品种类方面相比2019年底都有了翻倍的增加。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,采取GaN的充电器体积小(仅为本来的1/4)、重量轻、转换效力高、发热低、安全性强,较普通充电器有明显优势。依据内部电路架构的不同,约应用1-2颗的GaN电力电子器件,平均转换效力约能到达90%左右。

Navitas GaN 单管运用举例

GaN电力电子器件目前虽然被民众熟知的根本只有快充范畴,但实际上其早就在工业电源范畴有了必定的运用,但之前由于成本偏高,在花费范畴没有太多推广。随着GaN-on-Si电力电子器件成本的降低,下游运用厂家及配套企业开端积极布局GaN快充市场。但随着近两年来国内外产线产能的不断扩展,制作技巧的逐渐成熟,GaN电力电子器件的成本已经到达了厂商采购的甜美点。从IDM厂商给出的生产成原来看,目前GaN电力电子器件成本已经接近Si。

据Gartner数据,全球智能装备年均新增出货量超 20 亿台,随着GaN在该市场的渗透提速,未来几年花费类电源快充市场将成为GaN电力电子最大的推进力。

不仅仅是手机快充,GaN未来几乎可以运用于所有的花费类电源模块市场,如白家电、3c产品,可以想象到未来市场有多么伟大。

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;据懂得,OLED为了寻求更轻薄的尺码,也有厂商在斟酌采取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,愿望通过快充市场的带动作用,加速推进下游企业的对GaN的采取,从而正向刺激上、中游市场在产量和技巧方面提高,使得GaN材质的市场化过程更进一步。

5.花费类电源将成为GaN无线充电技巧突破口

无线感应充电重要运用集中在花费类电器、新能源汽车以及工业电源三大范畴。就目前的技巧发展情形来看,花费类电源同样将成为GaN无线感应充电市场的市场切入点。

目前装备中的感应充电器没有应用GaN电力电子器件,采取的是传统的磁感线圈技巧,工作频率在100至300KHz,并应用E、F及S类放大器的转换器拓扑。这种办法其工作频率很低,充电速度较慢,且随着距离的增长,效力会急剧降低。近来业界集团如花费电子协会及无线感应充电联盟(A4WP)提出无线充电体系须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的开关性能已接近它的极限,而GaN电力电子器件则可以满足应用需求,并供给更高的应用效力。

GaN被视为推进无线感应高频充电计划的电力传送的技巧,因为这种无线充电计划具备可以在百思特网高频、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加强电源传送性能,要实现这种无线 充电计划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应充电传送解决计划。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,从而进步放大器的效力及确保低电 磁干扰。因此无线感应充电市场是GaN电力电子在未来的运用中最为看好的市场之一,但目前由于GaN的技巧不成熟、可靠性问题和昂扬的成本,GaN在无线感应充电充电范畴中的渗透有限。

现阶段大型移动装备厂商(如苹果、华为、三星等)一直在研发高频无线感应充电产品来晋升移动产品的无线充电性能。一旦GaN高频无线充电技巧成熟之后,各大移动装备厂商将大批采取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年就开端尝试配备集成无线感应充电体系的新能源汽车,但由于目前的充电效力有待晋升,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重要驱动力,也是不同技巧路线(Si、SiC和GaN)的重要争取市场。

从技巧上而言,GaN电力电子器件在48V的混杂动力汽车范畴将拥有较强的竞争力,SiC更合适大功率主逆变器,Si基GaN电力电子技巧更合适小功率DC/DC和AC/DC转换器。预百思特网计到2025年,大部分的轻型车将采取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解决计划,一旦GaN技巧到达了企业的技巧和成本目的,GaN在新能源汽车OBC上的应用可能性将会大大晋升。

但目前为止尽管GaN技巧远景辽阔,但在新能源汽车上的运用现实情形并不乐观。必需指出的是,由于在新能源汽车的运用中,对器件稳固性和可靠性的请求非常高,须要长时光的质量认证进程,在此进程中须要投入大批的研发经费;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运用发展可能还须要较长时光。

7.其他新兴市场是GaN电力电子器件未来中长期的发展范畴

另外,高频激光雷达、包络追踪等运用都是GaN电力电子器件新兴的运用市场,基于GaN电力电子器件的性能优胜性,未来市场预期较好,据Yole的预测,上述运用市场在未来5年的年均增速超过65%,部分厂商会已经在高端装备上采取GaN电力电子器件。因此GaN电力电子器件未来的市场发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。