邁向更綠色的未來：GaN技術的變革性影響
2024-12-23 11:31:52 Nihit Bajaj,英飛凌科技 GaN產品高級總監過去幾十年間，人口和經濟活動的快速增長推動了全球能源消耗的穩步增長，并且預計這一趨勢還將持續。這種增長是線下與線上活動共同作用的結果。因此，數據中心的快速擴張顯著增加了全球電力需求。據估計，2022年全球數據中心耗電量約為240-340太瓦時（TWh）。近年來，全球數據中心的能源消耗以每年20-40%的速度持續增長[1]。
圖1：1910年以來全球二氧化碳排放量（單位：千兆噸）：總量（左）；按行業劃分（右）
隨著能源消耗的增加，相關的二氧化碳排放量也在2022年達到創紀錄的37千兆噸。為應對這一問題，國際能源署（IEA）提出了一項全球戰略，制定了到2030年必須實現的關鍵行動目標，旨在扭轉排放曲線，并將能源行業加入到使全球變暖控制在1.5°C的隊伍當中[2]。這些將在2030年實現的目標如下：
· 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
· 將化石燃料產生的甲烷排放量減少75%
· 將化石燃料的使用量減少25%
為了實現這些目標，我們必須找到解決方案，以便在電力全鏈條（發電、輸電、儲電和用電）的各個環節實現更智能、更高效的能源管理。而功率半導體技術則是這一鏈條各環節的核心所在。
圖2：電力鏈—— 從配電到用電
電氣化
在低碳化方面，推動過去占主導地位的化石燃料領域電氣化，是減少二氧化碳排放的關鍵。近幾十年來，電力在全球最終能源消費中的占比穩步上升，現已達到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計將達到30%，而在“凈零排放（NZE）”情景中，該比例將達到53%[2]。
清潔發電
如今，可再生能源發電約占全球電力生產的30%。在STEPS情景中，這一比例預計將提高到70%，在NZE情景中，將提高到89%[2]。近年來，低碳化的努力已經初顯成效——在過去15年，可再生能源已從最昂貴的能源變為最經濟的選擇[3]。
圖3：可再生能源成本逐步下降
CoolGaNTM技術：以能效為核心
在利用可再生能源進行清潔發電的同時，提升能效同樣是實現低碳化目標的關鍵。這不僅需要設計出耗電量盡可能低的智能高效系統，還需要最大限度地減少這些系統中每一個功率轉換環節的損耗。其中，后一個挑戰是本文討論的重點。在過去幾十年中，硅（Si）基功率半導體成功解決了這一難題。然而，近年來功率半導體技術的進步，催生了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料（WBG）技術，它們為多種應用提供了獨特而又顯著的效率提升和功率密度優勢。
圖4展示了硅、SiC和GaN這三種功率半導體技術的共存關系。盡管硅基技術仍是眾多應用的主流選擇，但SiC技術在需要使用400 V-3.3 kV器件的諸多應用中，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技術在40 V-750 V的低壓范圍內，與硅基技術競爭激烈，特別是在高開關頻率和較低的功率下，優勢更為明顯。
圖4：Si、SiC和GaN的輸出功率與開關頻率
再回到電氣化的話題，尤其是建筑、工業和交通領域對電力的需求。在STEPS情景中，到2050年，建筑行業仍然是用電量最大的領域，原因是對家用電器、制冷與供暖，以及熱水的需求持續增長；工業領域仍然是第二大用電行業，其中電動機占比較大。在STEPS情景中，到2050年，電動汽車預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動因素。
那么，該如何實現具有性價比的發電鏈效率提升呢？
眾所周知，星巴克在運營中注重效率提升，力求消除生產過程中每一秒不必要的浪費[4]。同樣，技術解決方案也應該專注于在設計中提升每一個百分點的效率。寬禁帶半導體器件（特別是GaN）在這一領域將大有可為。目前，GaN技術的一個典型應用是，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。根據市場研究公司Yole Development的2023年GaN報告，2023年至2029年間，GaN技術的累計潛在市場規模達到60億美元，包括服務器、太陽能、電動汽車車載充電器和電機驅動裝置等多個領域也正在加速向這項創新技術轉型[5]。
圖5：截至2028年的GaN市場規模預測
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動器產品組合，取得了顯著進展。英飛凌的CoolGaNTM產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，并與代工合作伙伴密切協作，甚至率先開發全球首項300毫米GaN功率半導體技術。
雖然高壓GaN開關（通常在600 V至900 V之間）廣泛應用于PSU電源和高壓電機驅動裝置等AC-DC領域，但英飛凌最新推出的中壓（MV） CoolGaNTM產品組合正在眾多其他消費類和工業應用中嶄露頭角。這些產品的電壓范圍為40 V至200 V，基于肖特基柵極技術，與相同電壓等級的最佳硅基溝槽器件相比，具備更優異的性能指標（FOM）。
CoolGaNTM氮化鎵功率開關器件的優異FOM提升了多種應用的性能，并降低了系統成本，其中包括獨立DC-DC穩壓器、太陽能逆變器、D類音頻放大器、低壓電機驅動裝置、服務器/電信IBC和LiDAR。
60 V-200 V CoolGaNTM晶體管產品采用3x3和3x5 PQFN（TSON）封裝，使用高性能且經濟高效的引線框技術，并列排放多個漏極/源極/柵極端子。由于GaN器件具有水平結構，所有三個端子（柵極、漏極和源極）都位于芯片的同一側，并通過交錯式拓撲結構引出。這種設計最大限度地降低了封裝的寄生效應（電阻和電感），并通過優化的熱連接路徑，直接冷卻CoolGaNTM電流通道。
這三款40 V CoolGaNTM器件是GaN在硅基技術的基礎上做出的進一步改進，是一種雙向開關（BDS），在導通時支持雙向電流流動，在關斷時提供雙向電流電壓阻斷。再次得益于GaN技術的水平結構，這些器件共享一個公共源極區域，并配備兩個漏極，在尺寸和成本上優于背對背硅基開關器件！
圖6：CoolGaNTM BDS與背對背硅基MOSFET相比更節省空間
結論
隨著能源消耗的持續增長，以及對可持續發展的需求，我們需要打造出好的設計、器件和系統，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是可以實現的，但這要求在電力鏈中每一個環節都高度關注能源效率的提升。對此，GaN技術展現了在構建高效電力電子系統方面的巨大潛能，英飛凌的CoolGaNTM等創新產品可以在不增加物料清單（BOM）成本的前提下，減少重新設計的工作量。
參考文獻
[1] IEA: Data Centres and Data Transmission Networks; https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-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-of-energyplus/
[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-innovations-for-better-customer-barista-experiences/
[5] 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/
作者：Nihit Bajaj 英飛凌科技 GaN產品高級總監
校對：宋清亮 英飛凌科技消費、計算與通訊業務大中華區高級首席工程師
