邁向更綠色的未來：GaN技術(shù)的變革性影響

過去幾十年間，人口和經(jīng)濟活動的快速增長推動了全球能源消耗的穩(wěn)步增長，并且預(yù)計這一趨勢還將持續(xù)。這種增長是線下與線上活動共同作用的結(jié)果。因此，數(shù)據(jù)中心的快速擴張顯著增加了全球電力需求。據(jù)估計，2022 年全球數(shù)據(jù)中心耗電量約為240-340 太瓦時（TWh）。近年來，全球數(shù)據(jù)中心的能源消耗以每年20-40% 的速度持續(xù)增長^[1]。

圖1 1910年以來全球二氧化碳排放量（單位：千兆噸）：總量（上）；按行業(yè)劃分（下）

隨著能源消耗的增加，相關(guān)的二氧化碳排放量也在2022年達到創(chuàng)紀錄的37 千兆噸。為應(yīng)對這一問題，國際能源署（IEA）提出了一項全球戰(zhàn)略，制定了到2030年必須實現(xiàn)的關(guān)鍵行動目標(biāo)，旨在扭轉(zhuǎn)排放曲線，并將能源行業(yè)加入到使全球變暖控制在1.5℃ 的隊伍當(dāng)中^[2]。

這些將在2030 年實現(xiàn)的目標(biāo)如下：

●   全球可再生能源裝機容量增加三倍：達到11,000吉瓦

●   能源效率提高速度加快一倍：至每年4%

●   提高終端用戶的電氣化程度：例如電動汽車、熱泵

●   將化石燃料產(chǎn)生的甲烷排放量減少75%

●   將化石燃料的使用量減少25%

圖2 電力鏈—— 從配電到用電

為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，我們必須找到解決方案，以便在電力全鏈條（發(fā)電、輸電、儲電和用電）的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)更智能、更高效的能源管理。而功率半導(dǎo)體技術(shù)則是這一鏈條各環(huán)節(jié)的核心所在。

圖3 可再生能源成本逐步下降

電氣化

在低碳化方面，推動過去占主導(dǎo)地位的化石燃料領(lǐng)域電氣化，是減少二氧化碳排放的關(guān)鍵。近幾十年來，電力在全球最終能源消費中的占比穩(wěn)步上升，現(xiàn)已達到20%。未來幾年，這一比例將加速增長。在國際能源署的既定政策（STEPS）情景中，到2050 年，電力在全球最終能源消費中的占比預(yù)計將達到30%，而在“凈零排放（NZE）”情景中，該比例將達到53%^[2]。

圖4 Si、SiC和GaN的輸出功率與開關(guān)頻率

1   清潔發(fā)電

如今，可再生能源發(fā)電約占全球電力生產(chǎn)的30%。在STEPS情景中，這一比例預(yù)計將提高到70%，在NZE 情景中，將提高到89%^[2]。近年來，低碳化的努力已經(jīng)初顯成效——在過去15 年，可再生能源已從最昂貴的能源變?yōu)樽罱?jīng)濟的選擇^[3]。

圖4 Si、SiC和GaN的輸出功率與開關(guān)頻率

2   CoolGaN^TM技術(shù)：以能效為核心

在利用可再生能源進行清潔發(fā)電的同時，提升能效同樣是實現(xiàn)低碳化目標(biāo)的關(guān)鍵。這不僅需要設(shè)計出耗電量盡可能低的智能高效系統(tǒng)，還需要最大限度地減少這些系統(tǒng)中每一個功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損耗。其中，后一個挑戰(zhàn)是本文討論的重點。在過去幾十年中，硅（Si）基功率半導(dǎo)體成功解決了這一難題。然而，近年來功率半導(dǎo)體技術(shù)的進步，催生了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料（WBG）技術(shù)，它們?yōu)槎喾N應(yīng)用提供了獨特而又顯著的效率提升和功率密度優(yōu)勢。

圖4 展示了硅、SiC 和GaN 這三種功率半導(dǎo)體技術(shù)的共存關(guān)系。盡管硅基技術(shù)仍是眾多應(yīng)用的主流選擇，但SiC 技術(shù)在需要使用400 V-3.3 kV 器件的諸多應(yīng)用中，與前者互為補充，能夠提供更好的散熱性能、更高的可靠性和更為緊湊的解決方案。GaN技術(shù)在40V-750V的低壓范圍內(nèi)，與硅基技術(shù)競爭激烈，特別是在高開關(guān)頻率和較低的功率下，優(yōu)勢更為明顯。再回到電氣化的話題，尤其是建筑、工業(yè)和交通領(lǐng)域?qū)﹄娏Φ男枨?。在STEPS 情景中，到2050 年，建筑行業(yè)仍然是用電量最大的領(lǐng)域，原因是對家用電器、制冷與供暖，以及熱水的需求持續(xù)增長；工業(yè)領(lǐng)域仍然是第二大用電行業(yè)，其中電動機占比較大。在STEPS 情景中，到2050 年，電動汽車預(yù)計將占總用電需求增幅的15%左右，這是因為電動汽車銷量將加速增長，成為用電需求增長的主要驅(qū)動因素。

那么，該如何實現(xiàn)具有性價比的發(fā)電鏈效率提升呢？

眾所周知，星巴克在運營中注重效率提升，力求消除生產(chǎn)過程中每一秒不必要的浪費^[4]。同樣，技術(shù)解決方案也應(yīng)該專注于在設(shè)計中提升每一個百分點的效率。寬禁帶半導(dǎo)體器件（特別是GaN）在這一領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀?。目前，GaN 技術(shù)的一個典型應(yīng)用是，提升智能手機和筆記本電腦的充電器效率和功率密度，人們普遍認為“GaN 充電器”比非GaN 充電器更新、更小、功率更高。然而，這只是GaN 市場潛力的冰山一角。根據(jù)市場研究公司Yole Development 的2023 年GaN 報告，2023 年至2029 年間，GaN 技術(shù)的累計潛在市場規(guī)模達到60 億美元，包括服務(wù)器、太陽能、電動汽車車載充電器和電機驅(qū)動裝置等多個領(lǐng)域也正在加速向這項創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)型^[5]。

圖5 截至2028年的GaN市場規(guī)模預(yù)測

在GaN市場，英飛凌憑借豐富的分立式和集成式解決方案，以及匹配的控制器和驅(qū)動器產(chǎn)品組合，取得了顯著進展。英飛凌的CoolGaN^TM產(chǎn)品線在奧地利菲拉赫和馬來西亞居林的兩座200 毫米晶圓廠投產(chǎn)，并與代工合作伙伴密切協(xié)作，甚至率先開發(fā)全球首項300 毫米GaN 功率半導(dǎo)體技術(shù)。

雖然高壓GaN 開關(guān)（通常在600 V 至900 V 之間）廣泛應(yīng)用于PSU 電源和高壓電機驅(qū)動裝置等AC-DC領(lǐng)域，但英飛凌最新推出的中壓（MV） CoolGaN^TM 產(chǎn)品組合正在眾多其他消費類和工業(yè)應(yīng)用中嶄露頭角。這些產(chǎn)品的電壓范圍為40 V 至200 V，基于肖特基柵極技術(shù)，與相同電壓等級的最佳硅基溝槽器件相比，具備更優(yōu)異的性能指標(biāo)（FOM）。

CoolGaNTM 氮化鎵功率開關(guān)器件的優(yōu)異FOM 提升了多種應(yīng)用的性能，并降低了系統(tǒng)成本，其中包括獨立DC-DC 穩(wěn)壓器、太陽能逆變器、D 類音頻放大器、低壓電機驅(qū)動裝置、服務(wù)器/ 電信IBC 和LiDAR。

60 V-200 V CoolGaN^TM 晶體管產(chǎn)品采用3x3 和3x5PQFN（TSON）封裝，使用高性能且經(jīng)濟高效的引線框技術(shù)，并列排放多個漏極/ 源極/ 柵極端子。由于GaN器件具有水平結(jié)構(gòu)，所有三個端子（柵極、漏極和源極）都位于芯片的同一側(cè)，并通過交錯式拓撲結(jié)構(gòu)引出。這種設(shè)計最大限度地降低了封裝的寄生效應(yīng)（電阻和電感），并通過優(yōu)化的熱連接路徑，直接冷卻CoolGaNTM電流通道。

這三款40 V CoolGaN^TM 器件是GaN 在硅基技術(shù)的基礎(chǔ)上做出的進一步改進，是一種雙向開關(guān)（BDS），在導(dǎo)通時支持雙向電流流動，在關(guān)斷時提供雙向電流電壓阻斷。再次得益于GaN 技術(shù)的水平結(jié)構(gòu)，這些器件共享一個公共源極區(qū)域，并配備兩個漏極，在尺寸和成本上優(yōu)于背對背硅基開關(guān)器件！

圖6 CoolGaN^TM BDS與背對背硅基MOSFET相比更節(jié)省空間

3   結(jié)束語

隨著能源消耗的持續(xù)增長，以及對可持續(xù)發(fā)展的需求，我們需要打造出好的設(shè)計、器件和系統(tǒng)，以最大限度地減少能源浪費。

正如文中所述，盡管2030 年邁向綠色未來的目標(biāo)是可以實現(xiàn)的，但這要求在電力鏈中每一個環(huán)節(jié)都高度關(guān)注能源效率的提升。對此，GaN 技術(shù)展現(xiàn)了在構(gòu)建高效電力電子系統(tǒng)方面的巨大潛能，英飛凌的CoolGaN^TM等創(chuàng)新產(chǎn)品可以在不增加物料清單（BOM）成本的前提下，減少重新設(shè)計的工作量。

參考文獻：

[1] IEA: Data Centres and Data Transmission Networks;https://www.iea.org/energy-system/buildings/datacentres-and-data-transmission-networks

[2] IEA: World Energy Outlook 2023; IEA; Paris;https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023

[3] Lazard: 2023 Levelized Cost Of Energy+;https://www.lazard.com/research-insights/2023-levelized-cost-ofenergyplus/

[4] Starbucks Corporation: Recipe for reinvention: Starbucks unveils innovations for better customer, barista experiences;https://stories.starbucks.com/stories/2022/recipe-for-reinvention-starbucks-unveils-innovationsfor-better-customer-barista-experiences/

[5] Yole Group: Power SiC and GaN maintain their growth trajectories toward beyond $10 B and $2.25 B, respectively,in 2029 despite the headwind from the global economy in the short term;https://www.yolegroup.com/product/monitor/power-sicgan-compound-semiconductor-marketmonitor/

（本文來源于《EEPW》202412）