邁向更綠色的未來：GaN技術(shù)的變革性影響

作者：Nihit Bajaj 英飛凌科技 GaN產(chǎn)品高級(jí)總監(jiān)

校對(duì)：宋清亮 英飛凌科技消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)大中華區(qū)高級(jí)首席工程師

過去幾十年間，人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的快速增長推動(dòng)了全球能源消耗的穩(wěn)步增長，并且預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)還將持續(xù)。這種增長是線下與線上活動(dòng)共同作用的結(jié)果。因此，數(shù)據(jù)中心的快速擴(kuò)張顯著增加了全球電力需求。據(jù)估計(jì)，2022年全球數(shù)據(jù)中心耗電量約為240-340太瓦時(shí)（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]。

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(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的37千兆噸。為應(yīng)對(duì)這一問題，國際能源署（IEA）提出了一項(xiàng)全球戰(zhàn)略，制定了到2030年必須實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵行動(dòng)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°C的隊(duì)伍當(dāng)中[2]。這些將在2030年實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下：

• 全球可再生能源裝機(jī)容量增加三倍：達(dá)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(dòng)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%

為了實(shí)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(chǔ)電和用電）的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)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。

電氣化

在低碳化方面，推動(dòng)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(fèi)中的占比穩(wěn)步上升，現(xiàn)已達(dá)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(fèi)中的占比預(yù)計(jì)將達(dá)到30%，而在“凈零排放（NZE）”情景中，該比例將達(dá)到53%[2]。

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(jì)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(jì)的選擇[3]。

CoolGaNTM技術(shù)：以能效為核心

在利用可再生能源進(jìn)行清潔發(fā)電的同時(shí)，提升能效同樣是實(shí)現(xiàn)低碳化目標(biāo)的關(guān)鍵。這不僅需要設(shè)計(jì)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(gè)功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損耗。其中，后一個(gè)挑戰(zhàn)是本文討論的重點(diǎn)。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(jìn)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(dú)特而又顯著的效率提升和功率密度優(yōu)勢(shì)。

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(bǔ)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40 V-750 V的低壓范圍內(nèi)，與硅基技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)激烈，特別是在高開關(guān)頻率和較低的功率下，優(yōu)勢(shì)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(duì)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(dòng)機(jī)占比較大。在STEPS情景中，到2050年，電動(dòng)汽車預(yù)計(jì)將占總用電需求增幅的15%左右，這是因?yàn)殡妱?dòng)汽車銷量將加速增長，成為用電需求增長的主要驅(qū)動(dòng)因素。

那么，該如何實(shí)現(xiàn)具有性價(jià)比的發(fā)電鏈效率提升呢？

眾所周知，星巴克在運(yùn)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(fèi)[4]。同樣，技術(shù)解決方案也應(yīng)該專注于在設(shè)計(jì)中提升每一個(gè)百分點(diǎn)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(gè)典型應(yīng)用是，提升智能手機(jī)和筆記本電腦的充電器效率和功率密度，人們普遍認(rèn)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(chǎng)潛力的冰山一角。根據(jù)市場(chǎng)研究公司Yole Development的2023年GaN報(bào)告，2023年至2029年間，GaN技術(shù)的累計(jì)潛在市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到60億美元，包括服務(wù)器、太陽能、電動(dòng)汽車車載充電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置等多個(gè)領(lǐng)域也正在加速向這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)型[5]。

在GaN市場(chǎng)，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(dòng)器產(chǎn)品組合，取得了顯著進(jìn)展。英飛凌的CoolGaNTM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(xiàng)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(jī)驅(qū)動(dòng)裝置等AC-DC領(lǐng)域，但英飛凌最新推出的中壓（MV） CoolGaNTM產(chǎn)品組合正在眾多其他消費(fèi)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(jí)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(dú)立DC-DC穩(wěn)壓器、太陽能逆變器、D類音頻放大器、低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、服務(wù)器/電信IBC和LiDAR。

60 V-200 V CoolGaNTM晶體管產(chǎn)品采用3x3和3x5 PQFN（TSON）封裝，使用高性能且經(jīng)濟(jì)高效的引線框技術(shù)，并列排放多個(gè)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(gè)端子（柵極、漏極和源極）都位于芯片的同一側(cè)，并通過交錯(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引出。這種設(shè)計(jì)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 CoolGaNTM器件是GaN在硅基技術(shù)的基礎(chǔ)上做出的進(jìn)一步改進(jìn)，是一種雙向開關(guān)（BDS），在導(dǎo)通時(shí)支持雙向電流流動(dòng)，在關(guān)斷時(shí)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(gè)公共源極區(qū)域，并配備兩個(gè)漏極，在尺寸和成本上優(yōu)于背對(duì)背硅基開關(guān)器件！

結(jié)論

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

正如文中所述，盡管2030年邁向綠色未來的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的，但這要求在電力鏈中每一個(gè)環(huán)節(jié)都高度關(guān)注能源效率的提升。對(duì)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CoolGaNTM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(jì)的工作量。

參考文獻(xiàn)

[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/