GaN电力电子器件细分市场及前景分析

 

　　市场现状

 

　　根据Yole公布的数据，GaN功率电子器件2018年的国际市场总规模约为1100万美元。其中GaN在电源设备方面的市场应用占到了GaN市场规模的55%，激光雷达占到了26%的市场份额，其他如无线电源、（无线网络）包络跟踪技术、光伏逆变器等市场也有少量应用。

 

　　未来五年内，氮化镓功率电子器件的市场将由以下五大应用牵引：目前渗透率较大的（小型）电源设备以及无线电源，渗透率中等的数据存储中心、未来有较大可能的市场可能的新能源汽车以及（汽车）激光雷达等。

 

图表 1 2018年GaN功率器件国际市场分布情况

　　数据来源：Yole

 

 

　　目前，功率器件在国内的应用市场尚未完全打开，2018年的国内市场总规模约为1.2亿元人民币。其中GaN在电源设备市场规模约为0.6亿元人民币，激光雷达市场的规模约为0.27亿元人民币，与国际市场情况类似，其他如无线电源、（无线网络）包络跟踪技术、光伏逆变器等市场逐渐开始有少量应用。

 

　　未来发展预测

 

　　GaN电力电子市场发展迅猛，未来市场空间巨大。根据Yole数据的预测，在市场乐观预期下，2023年GaN功率电子的市场规模将达到4.24亿美元。

 

　　随着GaN技术的快速发展，使得GaN功率器件性能指标的逐年提升：更快、更小、更轻，已经成为了Si 基 MOSFET有力竞争者。已经有一些公司在部分应用领域愿意采用GaN器件。

 

　　另一方面，除性能以外，价格成本优势也是GaN功率电子器件在消费类产品市场突破的重要因素。据IHS Markit预测，到2020年GaN功率电子晶体管在同等性能的情况下，将会达到与Si MOSFET和IGBT持平的价格。而相对价格较高的SiC MOSFET，GaN功率电子器件有可能凭借成本优势，成为2020年代后期逆变器中的首选。

 

 

　　从细分市场来看，消费类电子将是前期主要的应用领域，后期激光雷达、数据存储及新能源汽车等新兴市场将成为主要驱动。

 

　　GaN电力电子器件方面典型应用市场是电源设备。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，加之可承受电压要低于SiC器件，所以GaN电力电子器件更适合高频率、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。

 

 

　　无线感应充电的主要应用主要集中在消费类电器、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，消费类电源将成为GaN无线感应充电市场的主要驱动力——GaN功率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。

 

　　目前设备中的感应充电器实际上是传统的磁感线圈，并没有采用GaN，工作频率是100至300KHz,并使用E、F及S类放大器的转换器拓扑，其工作频率很低，充电速度较慢。在更高的频率下，传统的Si基功率晶体管的开关性能已接近它的极限，而GaN场效应晶体管在这个更高的频率下则可以提供更高效率。

 

　　GaN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。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，而要实现无线充电方案的最大挑战是放大器的设计，基于GaN功率晶体管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功率电子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。一旦GaN高频充电技术成熟，各大移动设备厂商将大量采用GaN功率晶体管，2023年的市场规模将达到1.7亿美元。

 

　　新能源汽车市场上已经有宝马等中高端汽车厂商推出了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，且为了将接收器更好地集成在车辆中，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。

 

 

　　目前已经有大型的公司开始在移动电源设备上采用GaN。该应用技术难度不大，因此应用的发展速度很快。目前该领域是GaN功率电子最大的市场。Yole预测，未来五年的年均增速将达到81%，2023年将带来超过1.74亿美元的市场。2018年， GaN IC厂商Navitas和Exagan推出了带有集成GaN解决方案（GaNFast?）的45W快速充电电源适配器，此45W充电器与Apple USB-C充电器相比，两者功率相差不大，但是体积上完全是不同的级别，内置GaN充电器比苹果充电器体积减少40%。目前来看，采用GaN材料的快速充电器已成星火燎原之势，有望成为行业主流。

 

 

　　GaN可用于48V DC/DC以及OBC(On board charger 车载充电机)。据Yole的预测，2023年该领域的市场规模将达到2500万美元。新能源汽车无疑是电力电子设备市场的主要驱动力，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功率器件在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功率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功率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。但截至2018年，尽管GaN技术前景广阔，但现实情况并不乐观。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功率器件也将在如新能源汽车等领域与GaN功率器件的形成直接的竞争。在这种情况下，GaN功率器件在新能源汽车领域的应用发展可能还需要较长时间。

 

　　另外，（汽车）激光雷达、数据存储中心、包络追踪等应用都是GaN功率器件新兴的应用市场，基于GaN功率器件的性能优越性，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功率器件。因此GaN功率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。