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2024年GaN功率半导体预测

作者: 浮思特科技2024-05-20 14:00:24

  世界各国正在努力实现脱碳、实现净零碳排放的目标,关键途径之一是能源供需进一步电气化。高效电源转换是两者的重要推动因素。在供给侧的可再生能源电力转换应用(例如太阳能逆变器)和需求侧的交通电气化,都是使用碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)等宽带隙(WBG)功率半导体取得优势的例子功率转换效率和功率密度。

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  全球电气化程度提高:

  电力需求增加是由多种因素推动的,其中一些因素如下:

  随着成本改善、技术和基础设施带来更大的需求,从化石燃料内燃机向电动汽车 (EV) 的转变正在加速。

  住宅和商业家庭供暖中向电动热泵的转变再次受到成本和相对传统燃气锅炉效率显着提高的推动。钢铁生产等其他工业应用也越来越多地使用电炉。预计使用氢来产生热量的应用,例如大宗化学品的生产和货运铁路,都需要电能来生产。

  数字经济的增长和人工智能 (AI) 的使用导致全球数据量大幅增长。数据中心及其冷却系统需要大量能源。

  电力占世界能源消耗的比例约为20%。预计未来几年这一趋势将加速,到 2050 年净零排放情景将超过 50% 1。让我们看一下 GaN 功率半导体预计将发挥重要作用的一些关键供需领域。

  太阳能

  基于 GaN 的微型逆变器、优化器和功率调节器将更有效地将光伏板 (PV) 产生的直流电转换为可用的交流电,为家庭、充电站和电动汽车供电。住宅太阳能的平准化能源成本 (LCOE) 预计将在 2024 年进一步下降,使其成为越来越经济实惠的解决方案。对更高功率光伏板和电池存储解决方案的需求推动了对更高功率逆变器的需求。基于 GaN 的解决方案可实现更高的效率、更小的系统尺寸和更简单的拓扑。

  双向微型逆变器拓扑可以更轻松地高效集成储能解决方案 (ESS)。该报告还预测,无论是微电网(5 kW - 500 kW)还是集中式公用事业规模发电(数百兆瓦),光伏发电将更高水平地智能融入主流电网。这将确保农村和城市社区的能源独立性和复原力。

  数据中心

  根据 IEA 的数据,到 2022 年,数据中心消耗的电力约占全球总电力的 2%(约 460 TWh),其中 40% 用于冷却。全球创建的数据量呈指数级增长,预计到 2025 年将达到 175 ZB,比 2010 年增长 146 倍2。人工智能的使用显着增加了计算需求,从而增加了能源足迹。例如,据信单个生成式人工智能查询的碳足迹是搜索引擎请求的四倍3。

  数据中心应用对 GaN 功率半导体的需求强劲。新的政府法规只会加速这一进程。服务器电源功率转换效率方面的电源利用效率 (PUE) 漏洞预计将得到解决,同时数据中心的效率要求也会更高。使用 GaN 在较低温度下工作的优点是降低冷却功率和尺寸要求。冷板液体冷却的势头还可以提高服务器性能。

  电动汽车

  电动汽车销量呈现强劲增长,预计 2024 年销量将飙升 21%,到 2030 年将超过全球汽车销量的三分之二4。SiC功率器件在电动汽车牵引逆变器中发挥着主导作用。在汽车市场,GaN预计将在未来几年发挥越来越重要的作用。GaN 功率半导体可能被视为 400 V 总线系统中 Si 和 SiC 解决方案的经济高效替代品。

  车载充电器 (OBC) 和 DC-DC 转换器可能是 GaN 的最初应用目标。在快速充电 800 V 总线系统中,多级 GaN 拓扑也可以成为可行的解决方案。随着电池成本不断降低,GaN 提高的效率和功率密度可以协同降低总体成本,同时提高电动汽车的行驶里程。

  消费者和商业市场

  从 2024 年开始,在欧盟境内销售的手机、平板电脑或相机将需要配备 USB Type-C 充电端口。这简化了最终用户体验。功率级别更高的相同电源适配器可用于从手机到笔记本电脑的各种设备,从而简化充电体验。GaN器件已经广泛应用于许多电源适配器中,高效率和小占位面积的要求将加速这一趋势。

  在德国慕尼黑等大城市,通过在智能手机中使用这些高效充电器,每年可节省家庭能源超过 2.3 GWh,并减少 1.1 kt CO 2当量排放。音频行业也可能在 D 类音频设计中利用 GaN 的卓越性能,使汽车音频系统更轻、更小、更高效。高效的数千瓦专业音频放大器系统将由 GaN 实现。采用 GaN 的更简单设计的高保真消费音频将为消费者带来显着的音频体验改善。

  值得一提的是,英飞凌科技于 2023 年 10 月收购了 GaN Systems。这加速了他们的 GaN 路线图。他们的 GaN 产品组合包括一系列 e-mode GaN HEMT 器件,电压范围为 100 V 至 700 V,采用各种创新 SMT 封装。这些设备预计将在从电动汽车到电源适配器等应用中发挥至关重要的作用,并有助于实现净零经济的目标。

浮思特科技深耕功率器件领域,为客户提供IGBTIPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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