英飛凌-半導(dǎo)體行業(yè)：2025年GaN功率半導(dǎo)體發(fā)展預(yù)測(cè)

破解能源需求增強(qiáng)與凈零經(jīng)濟(jì)之間的矛盾3氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體正處于高速增長(zhǎng)軌道，并在多個(gè)行業(yè)逐步邁向關(guān)鍵拐點(diǎn)。目前，消費(fèi)類充電器和適配器已率先實(shí)現(xiàn)突破，預(yù)計(jì)今年將有更多應(yīng)用達(dá)到拐點(diǎn)，其他應(yīng)用則有望跟進(jìn)。然而，GaN要實(shí)現(xiàn)廣泛普及，仍面1.綜合電力系統(tǒng)的重要性將進(jìn)一步提升。GaN依托其在效率、功率密度和尺寸優(yōu)化方面的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，在電力系2.除了“單純的”器件優(yōu)化，GaN的廣泛應(yīng)用需要全行業(yè)共同推動(dòng)創(chuàng)新，以構(gòu)建健全的生態(tài)系統(tǒng)，包括先進(jìn)封4多推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新（例如，電動(dòng)汽車和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)）高度依賴電氣系統(tǒng)，而這可能無(wú)意中帶來(lái)環(huán)境平衡問題。因此，如何解決這些挑戰(zhàn)，對(duì)于推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。技術(shù)的進(jìn)步必須與提高能效、減少二氧化碳排放的創(chuàng)新并行發(fā)展，而這正是GaN的用當(dāng)今和未來(lái)的技術(shù)高度依賴電能來(lái)推動(dòng)創(chuàng)新，而這同大多數(shù)全球企業(yè)已將可持續(xù)性作為核心業(yè)務(wù)戰(zhàn)略。在一項(xiàng)調(diào)查中，80%的高管表示，他們優(yōu)先投資可持續(xù)氮化鎵（GaN）已被證明是提高各種應(yīng)用能效的解決不僅助力多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步，也將成為企業(yè)及然而，GaN的大規(guī)模普及仍然取決于其成本可負(fù)擔(dān)性[5]。雖然在充電器和適配器等消費(fèi)電子領(lǐng)域，GaN的普及已達(dá)到市場(chǎng)拐點(diǎn)，但在工業(yè)和汽車領(lǐng)域的廣泛接下來(lái)的預(yù)測(cè)章節(jié)將進(jìn)一步解析這一增長(zhǎng)趨勢(shì)，并提5消費(fèi)電子機(jī)器人機(jī)器人行業(yè)的增長(zhǎng)主要由市場(chǎng)需求增長(zhǎng)和技術(shù)進(jìn)步共同驅(qū)動(dòng)。其中，全球人口老齡化導(dǎo)致勞動(dòng)力短缺，成為推動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)擴(kuò)張的重要因素。此外，人工智能和傳感器集成的快速發(fā)展也使機(jī)器人技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用變得更這些技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)，例如，無(wú)需笨重的電解電容器、縮小了尺寸，并提高了可靠性。將逆變器集成到電機(jī)機(jī)箱，可減少散熱器的需求，同時(shí)優(yōu)化關(guān)節(jié)/軸的布線，并簡(jiǎn)化具有高開關(guān)頻率的GaN基電機(jī)控制設(shè)計(jì)還支持在緊湊的密封外殼中，實(shí)現(xiàn)更高的功率。GaN在高頻下能夠667GaN在家用電器市場(chǎng)的增長(zhǎng)強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)未來(lái)4年將迎來(lái)快速增長(zhǎng)，2023年-2029年的復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)達(dá)到場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的影響。能效標(biāo)簽根據(jù)家用電器的能耗進(jìn)行評(píng)級(jí)，是消費(fèi)者購(gòu)買家電的重要決策因素。為了獲得最高能效評(píng)級(jí)，制造商必須在保持高性能的同時(shí)，降低能耗。對(duì)此，提高家電內(nèi)部的功率轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)有效的解決方隨著家電市場(chǎng)的不斷發(fā)展，GaN技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅將推動(dòng)創(chuàng)新，也將在降低能耗、助力低碳化發(fā)展方面發(fā)揮關(guān)體二極管，可有效減少反向恢復(fù)電荷等寄生效應(yīng)。此外，GaN逆變器具備更快的開關(guān)速度，使小型高電感電機(jī)可在更高的速度下運(yùn)行，減少部分家電對(duì)復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)的需求，從而降低成本。此外，它可實(shí)現(xiàn)更緊湊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)最后，GaN逆變器能效更高，散熱更少，使得工程師無(wú)需使用散熱器。傳統(tǒng)散熱器通常由鋁制成，體積龐大，在制造過程中需要人工安裝；在高濕度環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，易受冷凝影響，成為故障點(diǎn)，從而降低可靠性。通過消除8住宅太陽(yáng)能和預(yù)測(cè)：GaN技術(shù)將進(jìn)一步提升住宅太陽(yáng)能和ESS的效迄今為止，清潔能源轉(zhuǎn)型最成功案例之一便是太陽(yáng)能但清潔能源發(fā)電的增長(zhǎng)速度仍未滿足全球日益增長(zhǎng)的電力需求，若要實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力包括，消費(fèi)者對(duì)可持續(xù)發(fā)電需求的認(rèn)識(shí)不斷提高，以及政府稅收和補(bǔ)貼政策的增加[22]。在這類支持性政策環(huán)境及其他因素的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到在既定政策情景（STEPS）下，光伏發(fā)電將占全球總發(fā)電量的25%，在凈零排放情景（NZE）下，這一比隨著全球向可再生能源轉(zhuǎn)型，高效的電力轉(zhuǎn)換與傳輸技術(shù)變得尤為重要。而這正是高效GaN技術(shù)地。在住宅生態(tài)系統(tǒng)中，GaN技術(shù)發(fā)揮著日益重要的作用，廣泛應(yīng)用于微型逆變器、串式/混合逆變器、功率優(yōu)化器、便攜式電站，以及車網(wǎng)互聯(lián)（V2G）電在太陽(yáng)能微型逆變器中，GaN器件可帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)。其中，一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠處理更高的功率水平，同時(shí)保持較小的逆變器外形尺寸，從而實(shí)現(xiàn)緊因此有助于提高效率并減少散熱。此外，單向和創(chuàng)新另一個(gè)重要趨勢(shì)是，住宅或電動(dòng)汽車對(duì)電池充放電的需求日益增長(zhǎng)，這被稱為V2X（車聯(lián)萬(wàn)物）系統(tǒng)。在能夠雙向阻斷電壓，從而使能量流控制更加高效，同時(shí)確保在不同運(yùn)行條件下的安全性和可靠性。此外，BDS無(wú)需中間直流鏈路，即可提升功率密度、縮小外形尺寸，并降低成本。換言之，與傳統(tǒng)的背靠背開關(guān)顯著降低系統(tǒng)成本，同時(shí)提高功率密度和效率。不僅如此，基于GaN的混合式/串式逆變器具備更低的開這在儲(chǔ)能系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)榛旌鲜侥孀兤餍枰咝Ч芾黼娋W(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)與負(fù)載之間的能量流動(dòng)，從而在功率優(yōu)化器系統(tǒng)中，GaN技術(shù)可以調(diào)節(jié)光伏（PV）面板的最佳電流和電壓，進(jìn)一步發(fā)揮其高功率密度和效率的優(yōu)勢(shì)。此外，優(yōu)化器系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵方面是熱性能。與傳統(tǒng)的硅基器件相比，GaN器件具有更高的熱導(dǎo)率，因此可以更高效地散熱，降低器件的工作總之，GaN功率半導(dǎo)體有望提高住宅太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率和性能，實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的設(shè)計(jì)，這是移動(dòng)出行高電動(dòng)汽車（EV）的充電效率、功率密度和材料可持未來(lái)幾年電動(dòng)化轉(zhuǎn)型仍將持續(xù)加速，這主要得益于全新的解決方案，能為市場(chǎng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)高效[24]、面向未政府政策（例如，歐盟的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)的更高的效率、更緊湊的尺寸和更輕量化，是電動(dòng)汽車技術(shù)路線圖的關(guān)鍵優(yōu)化方向，而這些正是GaN等寬禁由于獨(dú)特的電氣參數(shù)、更高的集成度和日益成熟的市相比傳統(tǒng)的硅基解決方案，GaN在電動(dòng)汽車領(lǐng)域具有多項(xiàng)核心優(yōu)勢(shì)，完全符合市場(chǎng)對(duì)可持續(xù)、高效能和成并減少散熱。其高功率密度最大限度地減少了材料用量，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊、更輕量化的設(shè)計(jì)?；贕aN的解決方案可實(shí)現(xiàn)更小、更具成本效益的電容器和變壓器，從而在保持高性能的同時(shí)，減少整個(gè)系統(tǒng)的體積和成本。GaN技術(shù)的集成實(shí)現(xiàn)了雙向開關(guān)和集成邏輯等新特性，使系統(tǒng)更加緊湊、診斷更加簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)面在車載充電器領(lǐng)域，GaN具備零反向恢復(fù)電荷，可有效降低電磁干擾；提供更低的開關(guān)損耗，使磁性元件其中，GaN支持優(yōu)化系統(tǒng)尺寸，并使風(fēng)冷系統(tǒng)適用于GaN在移動(dòng)出行應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用將持續(xù)增長(zhǎng)，首批可推出。各大汽車廠商和供應(yīng)商正在積極驗(yàn)證GaN解決方案的質(zhì)量、穩(wěn)健性和成本效益，為將來(lái)的大規(guī)模部盡管GaN潛力巨大，但業(yè)界必須應(yīng)對(duì)質(zhì)量驗(yàn)可擴(kuò)展性和法規(guī)遵從性等挑戰(zhàn)。然而，GaN帶來(lái)的機(jī)會(huì)同樣引人注目，包括拓展電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)的應(yīng)用范圍、推動(dòng)功率電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，以及預(yù)測(cè)：在汽車牽引逆變器領(lǐng)域采用GaN技術(shù)，將進(jìn)一電動(dòng)汽車（xEV）市場(chǎng)（包括純電動(dòng)汽車（BEV）））牽引逆變器是電動(dòng)汽車高功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心組件，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并控制車輛速度和扭矩。當(dāng)前最先進(jìn)的逆變器設(shè)計(jì)中，半導(dǎo)體選擇的核心要求包括：高在未來(lái)的400V傳動(dòng)系統(tǒng)中，GaN的優(yōu)異開關(guān)性能可進(jìn)一步降低逆變器損耗，特別是在輕載工況下。在實(shí)GaN帶來(lái)了效率提升，這可以延長(zhǎng)續(xù)航里程，或使車輛使用更小、更便宜的電池。此外，由于GaN可以在牽引逆變器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)非常高的能效水平，但要實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提升，還需要在系統(tǒng)架構(gòu)層面進(jìn)行創(chuàng)新。采用三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的牽引逆變器由于可以生與當(dāng)今最先進(jìn)的兩級(jí)逆變器相比，“T型”三級(jí)逆變雙向GaN開關(guān)是對(duì)800VT型三級(jí)新。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)相腳的背對(duì)背開關(guān)可以被提升了系統(tǒng)效率，同時(shí)縮小了半導(dǎo)體的尺寸，并降低了成本。因此，將650V雙向GaN與1200V單向硅或碳化硅器件相結(jié)合，是下一代牽引逆變器系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新的一個(gè)良好示范，充分發(fā)揮不同半導(dǎo)體技術(shù)的獨(dú)特總之，GaN技術(shù)可以延長(zhǎng)續(xù)航里程，并提高400v和800v系統(tǒng)的能效，將有助于提升電動(dòng)汽車的市場(chǎng)普向更高電壓功率架構(gòu)的過渡，需要能夠承受更高電壓禁帶特性，可顯著降低導(dǎo)通電阻，并盡可能地減少開關(guān)損耗，從而提高整體系統(tǒng)效率。此外，GaN器件可以在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，支持使用更小的無(wú)源元從而盡可能減少了開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗，并改善熱性能。GaN是48V系統(tǒng)中DC-DC轉(zhuǎn)換器的理想隨著汽車對(duì)更高性能的需求不斷提升，其對(duì)功率/電成了巨大挑戰(zhàn)，要支持更高的功率輸出，12要變得更粗、更重，制造和安裝難度也隨之增加。相比之下，48V功率架構(gòu)更適合滿足高功率需求，因?yàn)榈?/4，因此，電線厚度可減至1/16。另外，它還減少了對(duì)大電流端子和連接器的需求?；谶@些原因，GaN技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以滿足這些需求。它具有高能效、優(yōu)異的散熱性能，以及在更高的功率密度下運(yùn)行管理和AI優(yōu)化領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。這些合作旨在提升能效水平和帶來(lái)新的應(yīng)用，充分發(fā)揮GaN的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以滿GaN正逐步成為一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，特別是在5G基站等高功率需求應(yīng)用領(lǐng)域。AI與電信行業(yè)的深度融合GaN技術(shù)在大都市和市中心等高需求地區(qū)的廣泛應(yīng)用機(jī)會(huì)。隨著技術(shù)趨勢(shì)的持續(xù)演未來(lái)將上升至7%[31]。這一趨勢(shì)促使行業(yè)對(duì)更先進(jìn)的功率解決方案產(chǎn)生迫切需求，以應(yīng)對(duì)AI服務(wù)器日益增長(zhǎng)的AI計(jì)算的供電將高度依賴GaN技術(shù)來(lái)最大化功率密度，并優(yōu)化功率架構(gòu)各環(huán)節(jié)的能效。這種模塊化的方法使得每種技術(shù)都能各展所長(zhǎng)，形成協(xié)同優(yōu)耗散，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心需要龐大的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施。隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)張，冷卻需求可能成為運(yùn)營(yíng)的一大瓶頸，此外，包括GaN在內(nèi)的寬禁帶半導(dǎo)體正在快速滲透數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。雖然GaN在充電器和適配器等其他領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了市場(chǎng)普及的拐點(diǎn)，但隨著AI數(shù)據(jù)中心功率水平的持續(xù)攀升，GaN技術(shù)正愈發(fā)受到行載日益增長(zhǎng)的需求支持下，GaN技術(shù)在下一代電源設(shè)計(jì)中的部署已經(jīng)啟動(dòng)。未來(lái)幾年，在對(duì)緊湊、高效和高性能GaN技術(shù)在滿足人工智能數(shù)據(jù)中心的功率需求方面取得了重大突破。憑借混合架構(gòu)、效率改