在当今快速发展的电子领域，氮化镓(GaN)技术正凭借其卓越的性能，在众多应用市场中崭露头角，其普及率在近年来得到了显著提升。据相关数据显示，全球GaN 功率元件市场规模预估从 2023 年的 2.71 亿美元左右上升至 2030 年的 43.76 亿美元，年复合增长率(CAGR)高达 49%。GaN System 中国区总经理林志彦表示，服务器电源、电动车(EV)以及无线充电将是驱动 GaN 快速成长的三大关键市场。
一、服务器电源：高效节能的新选择
在数据中心，服务器的电源效率一直是业界关注的重点。以 Google、亚马逊(Amazon)、微软(Microsoft)等为代表的系统业者，过去普遍采用 12V 的电源架构，但为了提升电源使用效率、降低损耗以节省电费成本，如今纷纷转向 48V 的电源设计架构。采用 48V 转 1V 的设计模式，服务器电源系统和主板电源系统首先要克服的就是切换损耗问题。
GaN 器件具备高开关速度、低损耗的特性，恰好成为解决这一问题的首要选择。例如，台达作为全球最大的服务器电源供应商，市占率近 5 成，其服务器电源的功率密度在过去 10 年里由 33.7W/in3 上升至 100.3W/in3，功率等级也从较低水平发展到了 3.2kW 甚至 5.5kW，而下一代预计将达到 8kW 以上。在这一进阶过程中，GaN 技术发挥了重要作用。
英飞凌指出，将液冷技术与 GaN 相结合，在较低结温下具有明显的优势，为数据中心提供了巨大的机会，可以最大程度地提高效率，满足不断增长的电力需求，并克服服务器发热量不断增加所带来的挑战。随着 AI 技术的演进，算力需求持续攀升，CPU/GPU 的功耗问题日益显著。为了应对更高端的 AI 运算，服务器电源的效能、功率密度必须进一步提高，GaN 已成为关键解决技术之一。2024 年 AI 服务器占整体服务器出货的比重预估将达 12.2%，较 2023 年提升约 3.4%，而一般型服务器出货量年增率仅有 1.9%。AI 服务器对电源转换的需求倍速增长，这无疑为 GaN 在服务器电源领域的应用提供了更为广阔的空间。
二、电动车(EV)：提升性能的关键技术
随着全球对节能减碳的关注度不断提高，节能运输成为主流趋势，电动汽车的成长率急速攀升。各大车商纷纷加速电动化进程，保时捷计划在 2023 年前将制造 50% 的 EV 车型;通用汽车、丰田和 Volvo 宣布 2025 年实现销售 100 万辆 EV 的目标;BMW 则表示到 2025 年将会提供 25 款电动车，其中 12 辆将是全电动车。
对于电动车而言，实现最佳的电源转换效率是目前各车厂的首要任务。GaN 能提供更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的功率密度以及更佳的热预算，进而提高电动汽车的功率输出和效能，且降低了重量和成本。因此，GaN 已逐渐被导入至电动车组件之中，如 DC-DC 转换器、车载充电器(OBC)等。在电动汽车的电力牵引电机逆变器中，这一关键部件需要将存储在电池组中的能量转换为交流电来驱动电动机，转换阶段的损耗越低，系统的效率就越高。GaN 器件拥有比传统硅器件更高的导电性和更高的开关频率，能够大幅减少逆变器的功率损失。与使用硅作为等效产品相比，采用 GaN 作为电动汽车逆变器可以在一定程度上减小尺寸、减轻重量以及缩减功耗。通过使用 GaN 器件，还可以在降低电池容量的情况下获得相同的续航里程。例如，某款电动汽车通过在逆变器中采用 GaN 技术，续航里程得到了显著提升。
采用 GaN 技术的 OBC 设计可以简化冷却系统，减少充电时间和能量损失。双向 OBC 允许电动汽车作为能量库或其他用途的能源，并帮助稳定电网内的负载。基于 GaN 器件的 OBC 实现了先进的双向拓扑结构，同时优化功率转换器配置。随着 GaN 技术在电动车领域的不断应用和发展，其将为电动汽车性能的提升带来更多的可能性。
三、无线充电：满足大功率需求的理想方案
在无线充电市场，随着各种应用市场对功率的需求不断增大，当产品的功率规格需要提高时，系统的转换效率规格也必须相对提升。以无线充电为例，电源转换(Power Conversion)于无线电源传输的设计会影响系统的总效率。当功率越大时，就需更高的转换效率来降低相对产生的热能。总而言之，大功率小体积的设计挑战就是效率的问题，电源转换、高效能、低损耗的组件、线圈设计和阻抗匹配都是直接影响系统总效率的因素，而 GaN 便在此当中扮演相当重要的角色。
GaN 组件具有高开关速度、低损耗、小体积等优点，可满足大功率、小体积的无线传输研发需求。例如，在一些无人机应用中，由于可用空间有限，GaN 晶体管获得了尺寸非常紧凑的解决方案，能够在无人机从短距离悬停在充电器上的情况下进行充电。最有效的集成无线功率传输解决方案使用 GaN 晶体管将系统尺寸减小多达 2 到 3 倍，从而降低充电系统成本。650-V GaN e-HEMT 晶体管为高效无线充电提供了理想的解决方案，功率范围从大约 10W 到超过 2kW。捷佳科技股份有限公司总经理舒中和透露，现今各种应用市场对功率的需求只会越来越大，而 GaN 在此过程中发挥着不可或缺的作用，无线充电已成为推动 GaN 快速成长的主要应用市场之一。
服务器电源、电动车以及无线充电这三大市场，正凭借各自对高效、节能、小体积等性能的追求，成为 GaN 技术快速发展的强大驱动力。随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，GaN 有望在更多领域得到广泛应用，为电子行业的发展带来更多的创新和变革。
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