迈向更绿色的未来：GaN技术的变革性影响

作者：Nihit Bajaj 英飞凌科技 GaN产品高级总监

校对：宋清亮 英飞凌科技消费、计算与通讯业务大中华区高级首席工程师

过去几十年间，人口和经济活动的快速增长推动了全球能源消耗的稳步增长，并且预计这一趋势还将持续。这种增长是线下与线上活动共同作用的结果。因此，数据中心的快速扩张显著增加了全球电力需求。据估计，2022年全球数据中心耗电量约为240-340太瓦时（TWh）。近年来，全球数据中心的能源消耗以每年20-40%的速度持续增长。


图1：1910年以来全球二氧化碳排放量（单位：千兆吨）：总量（左）；按行业划分（右）

随着能源消耗的增加，相关的二氧化碳排放量也在2022年达到创纪录的37千兆吨。为应对这一问题，国际能源署（IEA）提出了一项全球战略，制定了到2030年必须实现的关键行动目标，旨在扭转排放曲线，并将能源行业加入到使全球变暖控制在1.5°C的队伍当中。这些将在2030年实现的目标如下：

全球可再生能源装机容量增加三倍：达到11,000 吉瓦
能源效率提高速度加快一倍：至每年4%
提高终端用户的电气化程度：例如电动汽车、热泵
将化石燃料产生的甲烷排放量减少75%
将化石燃料的使用量减少25%

为了实现这些目标，我们必须找到解决方案，以便在电力全链条（发电、输电、储电和用电）的各个环节实现更智能、更高效的能源管理。而功率半导体技术则是这一链条各环节的核心所在。


图2：电力链—— 从配电到用电

电气化

在低碳化方面，推动过去占主导地位的化石燃料领域电气化，是减少二氧化碳排放的关键。近几十年来，电力在全球最终能源消费中的占比稳步上升，现已达到20%。未来几年，这一比例将加速增长。在国际能源署的既定政策（STEPS）情景中，到2050年，电力在全球最终能源消费中的占比预计将达到30%，而在“净零排放（NZE）”情景中，该比例将达到53%。

清洁发电

如今，可再生能源发电约占全球电力生产的30%。在STEPS情景中，这一比例预计将提高到70%，在NZE情景中，将提高到89%。近年来，低碳化的努力已经初显成效——在过去15年，可再生能源已从最昂贵的能源变为最经济的选择。


图3：可再生能源成本逐步下降

CoolGaN技术：以能效为核心

在利用可再生能源进行清洁发电的同时，提升能效同样是实现低碳化目标的关键。这不仅需要设计出耗电量尽可能低的智能高效系统，还需要最大限度地减少这些系统中每一个功率转换环节的损耗。其中，后一个挑战是本文讨论的重点。在过去几十年中，硅（Si）基功率半导体成功解决了这一难题。然而，近年来功率半导体技术的进步，催生了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带材料（WBG）技术，它们为多种应用提供了独特而又显著的效率提升和功率密度优势。

图4展示了硅、SiC和GaN这三种功率半导体技术的共存关系。尽管硅基技术仍是众多应用的主流选择，但SiC技术在需要使用400 V-3.3 kV器件的诸多应用中，与前者互为补充，能够提供更好的散热性能、更高的可靠性和更为紧凑的解决方案。GaN技术在40 V-750 V的低压范围内，与硅基技术竞争激烈，特别是在高开关频率和较低的功率下，优势更为明显。


图4：Si、SiC和GaN的输出功率与开关频率

再回到电气化的话题，尤其是建筑、工业和交通领域对电力的需求。在STEPS情景中，到2050年，建筑行业仍然是用电量最大的领域，原因是对家用电器、制冷与供暖，以及热水的需求持续增长；工业领域仍然是第二大用电行业，其中电动机占比较大。在STEPS情景中，到2050年，电动汽车预计将占总用电需求增幅的15%左右，这是因为电动汽车销量将加速增长，成为用电需求增长的主要驱动因素。

那么，该如何实现具有性价比的发电链效率提升呢？

众所周知，星巴克在运营中注重效率提升，力求消除生产过程中每一秒不必要的浪费。同样，技术解决方案也应该专注于在设计中提升每一个百分点的效率。宽禁带半导体器件（特别是GaN）在这一领域将大有可为。目前，GaN技术的一个典型应用是，提升智能手机和笔记本电脑的充电器效率和功率密度，人们普遍认为“GaN充电器”比非GaN充电器更新、更小、功率更高。然而，这只是GaN市场潜力的冰山一角。根据市场研究公司Yole Development的2023年GaN报告，2023年至2029年间，GaN技术的累计潜在市场规模达到60亿美元，包括服务器、太阳能、电动汽车车载充电器和电机驱动装置等多个领域也正在加速向这项创新技术转型。


图5：截至2028年的GaN市场规模预测

在GaN市场，英飞凌凭借丰富的分立式和集成式解决方案，以及匹配的控制器和驱动器产品组合，取得了显著进展。英飞凌的CoolGaN产品线在奥地利菲拉赫和马来西亚居林的两座200毫米晶圆厂投产，并与代工合作伙伴密切协作，甚至率先开发全球首项300毫米GaN功率半导体技术。

虽然高压GaN开关（通常在600 V至900 V之间）广泛应用于PSU电源和高压电机驱动装置等AC-DC领域，但英飞凌最新推出的中压（MV） CoolGaN产品组合正在众多其他消费类和工业应用中崭露头角。这些产品的电压范围为40 V至200 V，基于肖特基栅极技术，与相同电压等级的最佳硅基沟槽器件相比，具备更优异的性能指标（FOM）。





CoolGaN氮化镓功率开关器件的优异FOM提升了多种应用的性能，并降低了系统成本，其中包括独立DC-DC稳压器、太阳能逆变器、D类音频放大器、低压电机驱动装置、服务器/电信IBC和LiDAR。

60 V-200 V CoolGaN晶体管产品采用3x3和3x5 PQFN（TSON）封装，使用高性能且经济高效的引线框技术，并列排放多个漏极/源极/栅极端子。由于GaN器件具有水平结构，所有三个端子（栅极、漏极和源极）都位于芯片的同一侧，并通过交错式拓扑结构引出。这种设计最大限度地降低了封装的寄生效应（电阻和电感），并通过优化的热连接路径，直接冷却CoolGaN电流通道。

这三款40 V CoolGaN器件是GaN在硅基技术的基础上做出的进一步改进，是一种双向开关（BDS），在导通时支持双向电流流动，在关断时提供双向电流电压阻断。再次得益于GaN技术的水平结构，这些器件共享一个公共源极区域，并配备两个漏极，在尺寸和成本上优于背对背硅基开关器件！


图6：CoolGaN  BDS与背对背硅基MOSFET相比更节省空间

结论

随着能源消耗的持续增长，以及对可持续发展的需求，我们需要打造出好的设计、器件和系统，以最大限度地减少能源浪费。

正如文中所述，尽管2030年迈向绿色未来的目标是可以实现的，但这要求在电力链中每一个环节都高度关注能源效率的提升。对此，GaN技术展现了在构建高效电力电子系统方面的巨大潜能，英飞凌的CoolGaN等创新产品可以在不增加物料清单（BOM）成本的前提下，减少重新设计的工作量。

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参考文献

IEA: Data Centres and Data Transmission Networks; https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks
IEA: World Energy Outlook 2023; IEA; PARIS; https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023
Lazard: 2023 Levelized Cost Of Energy+; https://www.lazard.com/research-insights/2023-levelized-cost-of-energyplus/
Starbucks Corporation: Recipe for reinvention: Starbucks unveils innovations for better customer, barista experiences; https://stories.starbucks.com/stories/2022/recipe-for-reinvention-starbucks-unveils-innovations-for-better-customer-barista-experiences/
Yole Group: POWER SIC AND GAN MAINTAIN THEIR GROWTH TRAJECTORIES TOWARD BEYOND $10B AND $2.25B, RESPECTIVELY, IN 2029 DESPITE THE HEADWIND FROM THE GLOBAL ECONOMY IN THE SHORT TERM; https://www.yolegroup.com/product/monitor/power-sicgan-compound-semiconductor-market-monitor/