英飞凌：2026年GaN技术展望

来自功率半导体领导者的视角 www.infineon.com/gan 目录 GaN功率技术发展视角3 市场走势4 产品创新6 应用11 为什么选择英飞凌和英飞凌GaN？15 总结20 参考文献21 作为全球功率半导体领域的领导者，英飞凌正凭借其先进的硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术，加速向高效、可持续解决方案转型。在这些技术中，GaN作为一种变革性创新技术脱颖而出，正在多个应用领域不断突破功率电子在效率、性能和可靠性方面的极限，其中包括AI数据中心、人形机器人、电动汽车等。 近期达成的一系列里程碑充分展现了GaN的巨大潜力：我们的CoolGaNTM双向开关已在光伏微型逆变器中取得显著成功，在提升效率的同时，有效降低了系统成本。此外，GaN在单级车载充电器中的应用，也正在为功率密度和系统性能带来突破性的提升。 GaN性能卓越，但要充分释放其潜力，仍需应对成本与规模化量产等挑战。英飞凌正致力于克服这些挑战——其中最重要的一项举措，是推进具备可扩展性的高产能300 mm GaN功率晶圆技术，从而推动GaN在成本上接近Si技术。此类创新已深深融入英飞凌的GaN DNA，并体现在定义英飞凌GaN领导地位的三大核心支柱之中： –技术：英飞凌凭借广泛的产品组合、先进的300 mm制造能力，以及双向开关（BDS）等突破性技术，“英”领GaN创新。 –系统：通过结合应用专业能力与全面的产品组合，英飞凌提供经过优化的高性能系统解决方案，帮助客户实现投资回报最大化。–运营：依托卓越的品质、可靠性、供应连续性，以及对300 mm制造工艺的持续投入，英飞凌确保GaN解决方案能够实现无缝、可扩展的交付。 在我们的白皮书《英飞凌2026年GaN技术展望》中，我们深入探讨了GaN技术的整体格局、应用场景以及未来发展前景。您将从中获得有关GaN创新的深度洞见、真实应用案例，以及专家对于克服最终应用落地挑战的专业观点。 诚邀您加入我们，一同踏入GaN的世界，探索这一变革性技术如何助力塑造一个更可持续、更高效、更互联的未来。 Johannes Schoiswohl博士英飞凌高级副总裁兼GaN系统业务线总经理 市场走势 预测1：2026年GaN市场份额将大幅增长 在优异的性能、效率和可靠性的推动下，GaN功率半导体的应用正加速向各个细分领域普及。各行各业的客户正以更大规模部署GaN技术，并倾向于选择像英飞凌这样具备可靠品质与创新能力的可信供应商。 在过去一年中，GaN技术取得了显著进展，其中双向开关（BDS）成为一项关键创新。这一突破对汽车、工业以及可再生能源系统等多个应用领域产生了深远影响。通过使用单个可实现双向功率流动的BDS，取代两个（背靠背配置）或四个（全桥配置）单向开关，不仅显著降低了成本，也使更小型、更高效的功率系统成为可能。值得一提的是，英飞凌的CoolGaN™BDS已在Enphase光伏微型逆变器中取得了巨大成功，在显著提高效率的同时，有效降低了系统成本，充分体现了其在可再生能源应用中的影响力。汽车行业正加速迈向更加紧凑、高效且具成本竞争力的解决方案。通过实现诸如单级矩阵变换器等创新拓扑结构，英飞凌的BDSGaN技术自2025年以来已获得广泛关注，并有望在不久的将来成为车载充电器（OBC）应用的主流解决方案。预计该技术将于2026年迎来首次市场化应用，这一里程碑事件标志着行业在向更高能效、更强可扩展性以及更加可持续的解决方案转型过程中迈出了重要一步。随着GaN技术的不断成熟，其在各行业的应用有望重新定义效率和性能的行业标杆。 展望2026年，GaN功率半导体市场有望迎来大幅增长，相关预测显示，到2030年，该市场规模将接近30亿美元，较2025年GaN功率器件市场规模增长约400%[1]。Yole和TrendForce均预测GaN功率半导体市场将实现显著增长。其中，TrendForce预计全球GaN功率器件市场规模将从2025年的6.15亿美元增至2026年的9.2亿美元，同比增长50%[2]。同样，Yole Group预测该市场收入将从2025年的5.84亿美元增长至2026年的9.22亿美元，增长率高达58%，并在2030年前实现约100亿美元的累计收入潜力[3]。 这一快速增长得益于自2025年开始的大规模产能爬坡，这不仅推动了GaN在多个行业的应用扩展，而且也使得其进入全新的应用领域。后续章节将进一步探讨推动这一显著增长轨迹的其他关键因素。 GaN的成功同样离不开行业领导者和早期采用者的推动，他们为GaN的逐步普及铺平了道路。在2020年代的前半期，GaN在消费类充电器和电源适配器等市场迅速普及，并很快成为核心技术之一。安克、苹果和三星等公司不仅将GaN集成至其旗舰产品中，还通过积极展示其优势，加速了GaN的普及，进一步巩固了其市场地位。 当前，在行业先驱的推动下，GaN正在进入新一轮应用阶段。2025年，英伟达和英飞凌宣布在全新的800V数据中心架构方面展开合作，展现了GaN在为电源单元（PSU）和中间总线转换器（IBC）等关键器件供电方面的应用潜力；与此同时，Enphase也已成功利用GaN提高了其光伏微型逆变器的效率。 随着GaN技术的日趋成熟，市场正在向一个全新的应用阶段过渡，其特征是GaN解决方案在多个领域得到广泛应用，而这一进程得到了行业领军企业的积极推动。预计从2026年起，这一转变将引发连锁反应，并在所有细分领域实现约44%的复合年增长率（CAGR）[4]。 产品创新 预测2：2026年，设计人员将在光伏逆变器和电动汽车车载充电器之外，发掘双向开关的更多新用途 GaN器件技术最重要的突破之一是双向开关（BDS）的开发。这类先进器件可实现电流在两个方向上的导通，通过显著改善品质因数（例如：功率损耗）、降低复杂度并提升效率，从根本上改变了功率电路的设计方式。双向开关将多个器件的功能以单片方式集成于单一器件之中，从而简化了功率转换系统，在工业、消费电子和汽车应用中，实现了以更少器件构建更具成本效益的解决方案： 传统的功率转换系统通常采用两级架构，即分别进行功率因数校正（PFC）和DC/DC转换。这种方法需要大量器件，不仅推高了成本，也增加了系统复杂度和整体尺寸。而基于GaN的双向开关则推动了向单级功率转换的范式转变。英飞凌的高压双向GaN开关采用了革命性的共漏极设计与双栅极结构，并基于成熟可靠的栅极注入晶体管（GIT）技术。这种独特架构能够利用同一漂移区在两个方向上阻断电压，相比传统的背靠背方案，显著缩小了芯片尺寸。紧凑的集成设计不仅节省了空间，还最大限度地减少了寄生元件数量，从而实现了更快的开关速度和更高的效率。除了简化系统架构之外，双向开关还带来了一个关键优势：支持无直流母线和和无桥式设计。这对于下一代应用特别重要，例如：功率等级超过10kW的AI和企业级服务器、功率超过200W的大功率充电器、光伏储能系统以及电流源逆变器电机驱动系统等。 通过实现双向无缝功率传输，GaN BDS正在推动并网系统的持续创新，使能源解决方案更加智能、高效，并助力构建可持续的未来。最终，2026年单级AC-DC设计取得的持续成功，也将促使其他行业参与者采用类似的创新，以保持竞争力。 40V至120V范围内的GaN双向开关标志着功率电子领域的又一项重要突破。随着消费电子、数据中心、可再生能源和工业等领域的功率拓扑结构不断革新，对双向功率控制的需求正日益增长。 这使得电路在静态与动态应用中均需要具备双向开关能力，例如：USB-C PD端口保护、SMPS热插拔、电池断接以及电池管理系统等。传统解决方案通常采用背靠背开关，以在功率转换器中实现双向“阻断”。 GaN双向开关基于肖特基栅极技术，采用共享源区结构。该器件通过共源极BDS设计，最大限度地缩小尺寸。例如，在智能手机USB端口保护方面，使用GaN BDS，可使功率开关的PCB面积减少82%，该器件在导通状态下，支持双向电流流动，在关断状态下，可实现双向电流和电压阻断。简而言之，这些中压GaN双向开关并非渐进式改进，而是基础性突破，它们正在重塑功率系统的设计方式，使其在消费电子、工业和能源应用中，实现更小尺寸、更高速度和更高效率。 预测3：2026年，新技术和封装平台将获得更多投资和资源 随着对高性能、高效率、紧凑型功率电子产品的需求持续增长，GaN已在半导体行业中稳固确立了其作为变革性推动力量的地位。与此同时，随着GaN技术生态的不断演进，一系列新兴技术正在涌现，有望释放下一代性能潜力，并进一步拓展GaN的应用能力。 GaN-on-GaN（即垂直GaN） 当前备受关注的一类材料平台，是垂直GaN技术的发展。现有较为成熟的GaN技术多基于横向器件结构，即电流沿衬底表面方向流动，而垂直GaN则采用了一种截然不同的技术路径。在垂直GaN器件中，电流垂直穿过衬底流动，从而实现更高的击穿电压和更强的功率处理能力。尽管具备上述优势，垂直GaN技术仍处于早期发展阶段。在实现大规模应用之前，仍需克服多项挑战。垂直GaN器件的制造过程复杂且成本较高，需要先进的外延技术，以及精心设计的支撑材料。随着投资持续增加、经验不断积累，这一技术方向值得持续关注。 蓝宝石衬底GaN 目前，硅仍是GaN外延生长中应用最广泛的衬底材料，主要得益于其良好的成本效益和可获得性。然而，近年来，蓝宝石衬底凭借其独特的特性，已成为一种极具前景的替代材料，是特定GaN应用场景的理想选择。蓝宝石衬底GaN技术兼具高性能、低成本和可扩展性，尤其适用于消费电子和低功耗应用，例如智能手机电源适配器、笔记本电脑充电器等。随着制造工艺的不断改进（例如：更有效的缺陷密度降低方法），蓝宝石衬底GaN未来有望拓展至功率要求更高的应用领域。。 衬底前沿探索 在不断寻求GaN技术“终极解决方案”的过程中，即寻找一种既能完美匹配GaN晶体结构、又具备成本可行性的衬底材料，相关研发投入也在不断增加。 由此催生了许多新型衬底平台，例如“工程化衬底”。这类衬底通常采用复杂的复合核心结构，例如：陶瓷材料或绝缘体上硅（SOI）技术，以模拟GaN的热膨胀特性。另一种备受关注的衬底材料是金刚石，其具备所有材料中最高的导热率。通过将GaN与金刚石衬底键合，热量可以瞬间散发。近期，研究人员在这一领域取得了突破，通过开发“声子桥层”，来改善键合界面，从而降低了此前限制性能提升的热阻。然而，在金刚石衬底能够实现大规模应用之前，其高成本和技术复杂性问题仍有待进一步解决。 封装驱动性能释放 对于GaN而言，封装不仅仅是起到保护作用的外壳，更是高性能的传递通道。由于GaN芯片的开关速度可达Si的100倍，且尺寸明显更小，因此，传统的封装方式（例如：20世纪90年代的塑料“黑色引脚”封装）会削弱其性能优势。打个比方：如果将法拉利的发动机（GaN）装进拖拉机底盘（传统封装），它也没法跑得更快。为了充分释放GaN的潜力，业界一直在评估和实施更合适的GaN封装方案。其约束条件主要包括：两大物理挑战——寄生电感和热密度；多种功能与特性的集成；以及不可忽视的成本因素。 在业界广泛采用标准xQFN和TOLx功率封装，并将驱动器与晶体管集成的同时，新的封装平台也在不断涌现。其中包括集成功率模块（IPM），其特点是设计紧凑，外部器件需求极少，并集成了栅极驱动功能。 在更高的功率水平下，GaN功率模块正日益受到关注。在工业电机驱动、直流快速充电器、光伏组串逆变器、不间断电源等应用中，GaN功率模块为高效功率转换提供了有效的解决方案。这类模块通过极其紧凑的芯片封装，实现了极低的杂散和寄生电感；其高度对称的设计也非常适合通过并联GaN晶体管，来支持高功率应用，输出功率最高可达约70kW。除了系统效率提升和功率密度增加等已知优势外，这些功率模块封装还通过多种标准拓扑结构和模块定制选项，显著提升了系统的易用性。 预测4：2026年，控制器IC将通过利用温度、电流和其他系统信息来提升系统性能。 除了