引言：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(duì)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(wú)人機(jī)用超輕電源、無(wú)線充電設(shè)備等。GaN未來(lái)幾乎可以應(yīng)用于所有的消費(fèi)類電源模塊市場(chǎng)，如白家電、3c產(chǎn)品，可以想象到未來(lái)市場(chǎng)有多么巨大。

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(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)突破的重要因素。

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

1.2020年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)400億美元

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(duì)被控對(duì)象的功率進(jìn)行一定控制。

功率半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)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(dòng)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(cè)，2020年全球功率半導(dǎo)體市場(chǎng)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(chǎng)規(guī)模約158億美元左右，約占整個(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)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(kāi)始引起重視。目前，第三代半導(dǎo)體材料主要用來(lái)制作功率分立器件，又稱電力電子器件。

2.2027年第三代半導(dǎo)體電力電子器件市場(chǎng)將達(dá)100億美元

第三代半導(dǎo)體電力電子器件市場(chǎng)成長(zhǎng)空間廣闊。據(jù) Yole數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，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(zhǎng)，近十年(2018-2027年)，全球?qū)捊麕О雽?dǎo)體電力電子市場(chǎng)將進(jìn)入騰飛階段，年均增速接近45%，這意味著2027年其市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到100億美元。其中GaN電力電子器件2027年的國(guó)際市場(chǎng)總規(guī)模將接近59億美元。

3.GaN電力電子器件增速迅猛，2025年超過(guò)15億美元

GaN電力電子市場(chǎng)發(fā)展迅猛，未來(lái)市場(chǎng)空間巨大。Yole預(yù)計(jì)到2025年GaN電力電子器件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò)15億美元。其中在電源設(shè)備方面的市場(chǎng)應(yīng)用占到了GaN電力電子器件市場(chǎng)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(jí)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(duì)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(wú)人機(jī)用超輕電源、無(wú)線充電設(shè)備等。

GaN電力電子器件應(yīng)用市場(chǎng)占比

未來(lái)五年內(nèi)，GaN電力電子器件的市場(chǎng)將由以下幾大應(yīng)用牽引：目前滲透率較大的工業(yè)級(jí)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(chǔ)能，未來(lái)有較大可能的無(wú)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(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)突破的重要因素。

4.消費(fèi)類電源市場(chǎng)將成為GaN電力電子市場(chǎng)最大的推動(dòng)力

消費(fèi)電子市場(chǎng)對(duì)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(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。GaN電力電子的尺寸非常細(xì)小及纖薄，這種特性對(duì)于消費(fèi)類電源尤其是移動(dòng)設(shè)備等產(chǎn)品來(lái)說(shuō)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(chǎng)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(dòng)工具、IoT設(shè)備等市場(chǎng)。

從2018年開(kāi)始，GaN技術(shù)開(kāi)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(chǎng)新風(fēng)向。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前為止,國(guó)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(guò)100款，無(wú)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(zhǎng)。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(lái)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(shì)。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(méi)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(kāi)始積極布局GaN快充市場(chǎng)。但隨著近兩年來(lái)國(guó)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(gòu)的甜蜜點(diǎn)。從IDM廠商給出的生產(chǎn)成本來(lái)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(tái)，隨著GaN在該市場(chǎng)的滲透提速，未來(lái)幾年消費(fèi)類電源快充市場(chǎng)將成為GaN電力電子最大的推動(dòng)力。

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

目前，國(guó)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(guó)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(duì)GaN關(guān)注已久，希望通過(guò)快充市場(chǎng)的帶動(dòng)作用，加速推動(dòng)下游企業(yè)的對(duì)GaN的采用，從而正向刺激上、中游市場(chǎng)在產(chǎn)量和技術(shù)方面進(jìn)步，使得GaN材料的市場(chǎng)化進(jìn)程更進(jìn)一步。

5.消費(fèi)類電源將成為GaN無(wú)線充電技術(shù)突破口

無(wú)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(lái)看，消費(fèi)類電源同樣將成為GaN無(wú)線感應(yīng)充電市場(chǎng)的市場(chǎng)切入點(diǎn)。

目前設(shè)備中的感應(yīng)充電器沒(méi)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)洹＿@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(huì)急劇下降。近來(lái)業(yè)界團(tuán)體如消費(fèi)電子協(xié)會(huì)及無(wú)線感應(yīng)充電聯(lián)盟(A4WP)提出無(wú)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(kāi)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(dòng)無(wú)線感應(yīng)高頻充電方案的電力傳送的技術(shù)，因?yàn)檫@種無(wú)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(wú)線感應(yīng)充電傳送通過(guò)諧振式耦合線圈驅(qū)動(dòng)以增強(qiáng)電源傳送性能，要實(shí)現(xiàn)這種無(wú)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(wú)線感應(yīng)充電傳送解決方案。由于GaN場(chǎng)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(shì)，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(wú)線感應(yīng)充電市場(chǎng)是GaN電力電子在未來(lái)的應(yīng)用中最為看好的市場(chǎng)之一，但目前由于GaN的技術(shù)不成熟、可靠性問(wèn)題和高昂的成本，GaN在無(wú)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(dòng)設(shè)備廠商(如蘋果、華為、三星等)一直在研發(fā)高頻無(wú)線感應(yīng)充電產(chǎn)品來(lái)提升移動(dòng)產(chǎn)品的無(wú)線充電性能。一旦GaN高頻無(wú)線充電技術(shù)成熟之后，各大移動(dòng)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(guò)200%。

新能源汽車市場(chǎng)上已經(jīng)有寶馬等中高端汽車廠商早在2018年就開(kāi)始嘗試配備集成無(wú)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(duì)較高，因此新能源汽車中的無(wú)線感應(yīng)充電有望成為未來(lái)高端電動(dòng)車的一種選擇。

6.新能源汽車市場(chǎng)或?qū)⒊蔀镾iC與GaN電力電子器件角逐場(chǎng)

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(wú)疑是電力電子器件市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，也是不同技術(shù)路線(Si、SiC和GaN)的主要爭(zhēng)奪市場(chǎng)。

從技術(shù)上而言，GaN電力電子器件在48V的混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域?qū)碛休^強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(huì)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(lè)觀。必須指出的是，由于在新能源汽車的應(yīng)用中，對(duì)器件穩(wěn)定性和可靠性的要求非常高，需要長(zhǎng)時(shí)間的質(zhì)量認(rèn)證過(guò)程，在此過(guò)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(jìng)爭(zhēng)。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(zhǎng)時(shí)間。

7.其他新興市場(chǎng)是GaN電力電子器件未來(lái)中長(zhǎng)期的發(fā)展領(lǐng)域

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(chǎng)，基于GaN電力電子器件的性能優(yōu)越性，未來(lái)市場(chǎng)預(yù)期較好，據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，上述應(yīng)用市場(chǎng)在未來(lái)5年的年均增速超過(guò)65%，部分廠商會(huì)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(lái)的市場(chǎng)發(fā)展情況除了受到現(xiàn)有的既定市場(chǎng)的影響之外，新興市場(chǎng)的影響力也不容小覷。