2025年GaN功率半导体发展预测：破解能源需求增强与净零经济之间的矛盾
破解能源需求增强与净零经济之间的矛盾 www.infineon.com/gan 目录 引言4 消费电子5 机器人5USB-C适配器和充电器6家用电器7 住宅太阳能和储能系统（ESS）8 移动出行10 车载充电器和高压/低压DC-DC转换器10牵引逆变器1148 v功率架构12 电信基础设施13 电信/5G13AI数据中心14 前景展望16 参考文献17 氮化镓（GaN）功率半导体正处于高速增长轨道，并在多个行业逐步迈向关键拐点。目前，消费类充电器和适配器已率先实现突破，预计今年将有更多应用达到拐点，其他应用则有望跟进。然而，GaN要实现广泛普及，仍面临诸多挑战。这是为什么呢？我们如何克服这些阻力，以释放GaN技术的全部潜力，并创造更大价值？ 在这本2025年预测电子书中，我们针对最成熟、最具市场相关性的GaN功率半导体应用提供了行业预测和展望，并分享了一些关于GaN发展旅程的深刻洞见： 1.综合电力系统的重要性将进一步提升。GaN依托其在效率、功率密度和尺寸优化方面的产品优势，在电力系统中发挥更加重要的作用。>“系统的游戏”就是通过GaN来赢得的。2.除了“单纯的”器件优化，GaN的广泛应用需要全行业共同推动创新，以构建健全的生态系统，包括先进封装技术、多元化供应链以及制造工艺创新。其中，扩大创新渠道将是关键。>创新，离不开协作。3.除了即将实现的与硅材料的成本平价，GaN还可以通过与其他材料混合的方法，为客户创造更多利益。>GaN既是革新者，也是为客户带来更多利益的“团队合作者”。 作为功率系统领域的领先企业，英飞凌致力于推动GaN技术的普及、升级与应用落地。凭借业内最广博的产品和IP产品布局、最高质量标准、最前沿的创新技术（例如，300毫米GaN晶圆制造、集成GaN解决方案、双向开关（BDS）技术）以及系统级IC设计能力，我们正不断证明这一点。 Johannes Schoiswohl博士英飞凌高级副总裁兼总经理GaN系统业务线负责人 引言 技术进步在应对环境挑战方面极具潜力[1]。然而，许多推动可持续发展的创新（例如，电动汽车和太阳能发电场）高度依赖电气系统，而这可能无意中带来环境平衡问题。因此，如何解决这些挑战，对于推动可持续发展至关重要。技术的进步必须与提高能效、减少二氧化碳排放的创新并行发展，而这正是GaN的用武之地。 氮化镓（GaN）已被证明是提高各种应用能效的解决方案之一[3]。凭借其高速性能和低碳足迹，GaN半导体被誉为电子行业的变革性技术[4]，使制造商能够开发更小巧、更高效的设备。 高效利用GaN将继续成为2025年及未来的重要趋势，不仅助力多个技术领域的持续进步，也将成为企业及社会实现可持续发展目标的关键。 当今和未来的技术高度依赖电能来推动创新，而这同时也加剧了环境问题。 然而，GaN的大规模普及仍然取决于其成本可负担性[5]。虽然在充电器和适配器等消费电子领域，GaN的普及已达到市场拐点，但在工业和汽车领域的广泛应用，仍有待其价格进一步接近硅的水平。 例如，信息和通信技术（ICT）行业预计将排放的二氧化碳占全球排放量的4%-10%[2]，甚至高于航空业。这一数据凸显了各行业减少能源消耗的紧迫性。此外，大多数全球企业已将可持续性作为核心业务战略。在一项调查中，80%的高管表示，他们优先投资可持续发展项目，以“提升盈利能力，并推动业务增长”。 展望2025年，GaN在消费和工业市场的应用将大幅增长。市场规模预计将从2020年的4580万美元增长到2025年的4.072亿美元，在短短5年内增长889%[6]。接下来的预测章节将进一步解析这一增长趋势，并提供市场洞察作为支撑。 消费电子 机器人 预测：机器人将得到广泛应用，得益于GaN在提升能效和缩小体积方面的优势，推动人形机器人、护理机器人和送货无人机的市场增长。 整个机器人市场即将迎来大幅增长，今年的市场规模预计将达到998亿美元[7]至1100亿美元[8]，到2030年，市场价值预计增长98.2%[9]至132.7%[10]。在这一广阔市场下，多个细分市场正在呈现各自独特的增长模式，包括协作机器人、人形机器人或商用无人机[11、12、13]。 机器人行业的增长主要由市场需求增长和技术进步共同驱动。其中，全球人口老龄化导致劳动力短缺，成为推动机器人市场扩张的重要因素。此外，人工智能和传感器集成的快速发展也使机器人技术在各行各业的应用变得更加可行，市场吸引力不断上升。 随着机器人技术集成自然语言处理（NLP）[14]和计算机视觉等AI先进技术，GaN将为打造更高效、更紧凑的设计带来必要的能效。 基于GaN的电机驱动系统能够提供优异的能效和性能、更高的功率密度、更少的电机损耗和更高速的开关能力。这些技术进步带来了诸多优势，例如，无需笨重的电解电容器、缩小了尺寸，并提高了可靠性。将逆变器集成到电机机箱，可减少散热器的需求，同时优化关节/轴的布线，并简化EMC设计。更高的控制频率能够改善动态响应能力。 具有高开关频率的GaN基电机控制设计还支持在紧凑的密封外壳中，实现更高的功率。GaN在高频下能够提供优异的性能，进一步提高系统效率（逆变器和电机损耗），并保持较低的工作温度。 放眼该领域的未来发展，机器人及其相关应用预计将在工业自动化和日常生活中占据越来越重要的地位。 USB-C适配器和充电器 预测：基于GaN技术的USB-C适配器和充电器将在市场占据主导地位，提供更紧凑、更高功率输出的解决方案，同时在能源效率和环境可持续性方面树立新的行业标杆。 GaN显著缩小了USB-C充电器的体积，同时提升输出功率，包括苹果[15]、三星、戴尔、惠普、雷蛇、华硕、安克等在内的领先品牌，均已广泛采用GaN技术，推出高达300 W功率的紧凑型充电器。此外，GaN已成为产品品牌推广的关键卖点，许多高端品牌也推出了GaN充电器。 GaN充电器凭借其优异的能效和热管理能力，正在为快速充电树立新的标杆。预计到2030年，包括快充在内的消费类应用将占据整个全球GaN功率器件市场的52%以上[16]，凸显了GaN在推动低碳化和数字化方面的重要作用。GaN充电器不仅更高效，还有利于保护环境。其更小的尺寸减少了生产、包装和回收所需的资源，有助于降低环境足迹。 家用电器 预测：受更高能效等级、降低能耗需求和系统成本优化的驱动，GaN有望在家电市场取得快速发展。 GaN在家用电器市场的增长强劲，预计未来4年将迎来快速增长，2023年-2029年的复合年增长率预计达到121%[17]。目前，洗衣机、冰箱等家电产品采用GaN技术的主要驱动力包括：能源法规要求，以及能效标签对市场竞争力的影响。能效标签根据家用电器的能耗进行评级，是消费者购买家电的重要决策因素。为了获得最高能效评级，制造商必须在保持高性能的同时，降低能耗。对此，提高家电内部的功率转换效率是一个有效的解决方案，而GaN技术在这一领域发挥着至关重要的作用。GaN技术的效率提升十分显著[18]，例如，在800 W应用中，GaN可将转换效率提高2%[19]，助力制造商获得梦寐以求的A级评级。这一优势得益于GaN具备更快的开关速度，因此也更加高效，使其非常适用于高效电机，满足其降低损耗的性能需求。 随着家电市场的不断发展，GaN技术的广泛应用不仅将推动创新，也将在降低能耗、助力低碳化发展方面发挥关键作用。经GaN优化的逆变器设计，还可以从更低的电磁干扰（EMI）中获益。与传统功率器件相比，GaN没有体二极管，可有效减少反向恢复电荷等寄生效应。此外，GaN逆变器具备更快的开关速度，使小型高电感电机可在更高的速度下运行，减少部分家电对复杂传动系统的需求，从而降低成本。此外，它可实现更紧凑的电机驱动器设计，同时降低可闻电机噪声。 最后，GaN逆变器能效更高，散热更少，使得工程师无需使用散热器。传统散热器通常由铝制成，体积庞大，在制造过程中需要人工安装；在高湿度环境下运行时，易受冷凝影响，成为故障点，从而降低可靠性。通过消除散热器，制造商可为每个系统节省约三美元的成本。节约成本这一优势，加上GaN逆变器在更高功率密度下具备更优的性能、效率和可靠性，GaN解决方案为现代家用电器设计提供了更具吸引力的替代方案。 住宅太阳能和储能系统（ESS） 随着全球向可再生能源转型，高效的电力转换与传输技术变得尤为重要。而这正是高效GaN技术的用武之地。在住宅生态系统中，GaN技术发挥着日益重要的作用，广泛应用于微型逆变器、串式/混合逆变器、功率优化器、便携式电站，以及车网互联（V2G）电动汽车充电。 预测：GaN技术将进一步提升住宅太阳能和ESS的效率和性能，同时有助于降低物料清单（BoM）成本。 迄今为止，清洁能源转型最成功案例之一便是太阳能光伏发电的快速崛起。从2010年至2023年，全球太阳能光伏发电量已增长至40倍。尽管取得了重大进展，但清洁能源发电的增长速度仍未满足全球日益增长的电力需求，若要实现净零排放目标，太阳能光伏发电必须加速扩大规模。[20] 在太阳能微型逆变器中，GaN器件可带来诸多优势。其中，一个显著的优势在于，它能够处理更高的功率水平，同时保持较小的逆变器外形尺寸，从而实现紧凑高效的设计。此外，GaN器件具有更快的开关速度，因此有助于提高效率并减少散热。此外，单向和创新的双向GaN逆变器，也在太阳能微型逆变器中发挥着重要作用。 目前，太阳能光伏发电仅占全球总发电量的5%左右，但预计到2030年，这一比例将增至17%[21]。这一增长的主要驱动力包括，消费者对可持续发电需求的认识不断提高，以及政府税收和补贴政策的增加[22]。在这类支持性政策环境及其他因素的推动下，预计到2035年，太阳能光伏发电将成为全球主要电力来源：在既定政策情景（STEPS）下，光伏发电将占全球总发电量的25%，在净零排放情景（NZE）下，这一比例将达到35%[23]。 另一个重要趋势是，住宅或电动汽车对电池充放电的需求日益增长，这被称为V2X（车联万物）系统。在这个系统中，GaN双向开关（BDS）实现了突破创新， 能够双向阻断电压，从而使能量流控制更加高效，同时确保在不同运行条件下的安全性和可靠性。此外，BDS无需中间直流链路，即可提升功率密度、缩小外形尺寸，并降低成本。换言之，与传统的背靠背开关相比，使用一个双向GaN开关不仅更具成本效益，占用的PCB面积也更小。 在功率优化器系统中，GaN技术可以调节光伏（PV）面板的最佳电流和电压，进一步发挥其高功率密度和效率的优势。此外，优化器系统的另一个关键方面是热性能。与传统的硅基器件相比，GaN器件具有更高的热导率，因此可以更高效地散热，降低器件的工作温度，从而减少过热风险，并提升系统的整体可靠性。 在混合式/串式逆变器中，单向或双向GaN器件可以显著降低系统成本，同时提高功率密度和效率。不仅如此，基于GaN的混合式/串式逆变器具备更低的开关损耗和优异的热管理特性，能够大幅提高系统效率。这在储能系统中尤为重要，因为混合式逆变器需要高效管理电网、储能系统与负载之间的能量流动，从而实现更可靠、更高效的能源供应。 总之，GaN功率半导体有望提高住宅太阳能和储能系统的效率和性能，实现更紧凑、更高效的设计，这是实现净零排放未来的关键。 移动出行 车载充电器和高压/低压DC-DC转换器 预测：GaN车载充电器和DC-DC转换器预计将显著提高电动汽车（EV）的充电效率、功率密度和材料可持续性，市场趋势将向20 kW及以上的系统迈进。 技术路线图的关键优化方向，而这些正是GaN等宽禁带半导体解决方案的用武之地。 由于独特的电气参数、更高的集成度和日益成熟的市场，GaN预计将在车载充电器（OBC）和DC-DC转换器等汽车应用中实现更高的市场渗透率。 尽管全球电动汽车的市场增长有所放缓，但我们预计，未来几年电动化转型仍将持续加速，这主要得益于全新的解决方案，能为市场带来经济高效[24]、面向未来的技术平台。 相比传
