【導讀】過(guò)去幾十年間，人口和經(jīng)濟活動(dòng)的快速增長(cháng)推動(dòng)了全球能源消耗的穩步增長(cháng)，并且預計這一趨勢還將持續。這種增長(cháng)是線(xiàn)下與線(xiàn)上活動(dòng)共同作用的結果。因此，數據中心的快速擴張顯著(zhù)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(shí)（TWh）。近年來(lái)，全球數據中心的能源消耗以每年20-40%的速度持續增長(cháng)[1]。
過(guò)去幾十年間，人口和經(jīng)濟活動(dòng)的快速增長(cháng)推動(dòng)了全球能源消耗的穩步增長(cháng)，并且預計這一趨勢還將持續。這種增長(cháng)是線(xiàn)下與線(xiàn)上活動(dòng)共同作用的結果。因此，數據中心的快速擴張顯著(zhù)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(shí)（TWh）。近年來(lái)，全球數據中心的能源消耗以每年20-40%的速度持續增長(cháng)[1]。
圖1：1910年以來(lái)全球二氧化碳排放量（單位：千兆噸）：總量（左）；按行業(yè)劃分（右）
隨著(zhù)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。為應對這一問(wèn)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(shí)現的關(guān)鍵行動(dòng)目標，旨在扭轉排放曲線(xiàn)，并將能源行業(yè)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(shí)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(hù)的電氣化程度：例如電動(dòng)汽車(chē)、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)現這些目標，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(gè)環(huán)節實(shí)現更智能、更高效的能源管理。而功率半導體技術(shù)則是這一鏈條各環(huán)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(dòng)過(guò)去占主導地位的化石燃料領(lǐng)域電氣化，是減少二氧化碳排放的關(guān)鍵。近幾十年來(lái)，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(lái)幾年，這一比例將加速增長(cháng)。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(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，這一比例預計將提高到70%，在NZE情景中，將提高到89%[2]。近年來(lái)，低碳化的努力已經(jīng)初顯成效——在過(guò)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3：可再生能源成本逐步下降
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)現低碳化目標的關(guān)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(gè)功率轉換環(huán)節的損耗。其中，后一個(gè)挑戰是本文討論的重點(diǎn)。在過(guò)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(lái)功率半導體技術(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應用提供了獨特而又顯著(zhù)的效率提升和功率密度優(yōu)勢。
圖4展示了硅、SiC和GaN這三種功率半導體技術(shù)的共存關(guān)系。盡管硅基技術(shù)仍是眾多應用的主流選擇，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40 V-750 V的低壓范圍內，與硅基技術(shù)競爭激烈，特別是在高開(kāi)關(guān)頻率和較低的功率下，優(yōu)勢更為明顯。
圖4：Si、SiC和GaN的輸出功率與開(kāi)關(guān)頻率
再回到電氣化的話(huà)題，尤其是建筑、工業(yè)和交通領(lǐng)域對電力的需求。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增長(cháng)；工業(yè)領(lǐng)域仍然是第二大用電行業(yè)，其中電動(dòng)機占比較大。在STEPS情景中，到2050年，電動(dòng)汽車(chē)預計將占總用電需求增幅的15%左右，這是因為電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量將加速增長(cháng)，成為用電需求增長(cháng)的主要驅動(dòng)因素。
那么，該如何實(shí)現具有性?xún)r(jià)比的發(fā)電鏈效率提升呢？
眾所周知，星巴克在運營(yíng)中注重效率提升，力求消除生產(chǎn)過(guò)程中每一秒不必要的浪費[4]。同樣，技術(shù)解決方案也應該專(zhuān)注于在設計中提升每一個(gè)百分點(diǎn)的效率。寬禁帶半導體器件（特別是GaN）在這一領(lǐng)域將大有可為。目前，GaN技術(shù)的一個(gè)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(chǎng)潛力的冰山一角。根據市場(chǎng)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(chǎng)規模達到60億美元，包括服務(wù)器、太陽(yáng)能、電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器和電機驅動(dòng)裝置等多個(gè)領(lǐng)域也正在加速向這項創(chuàng )新技術(shù)轉型[5]。
圖5：截至2028年的GaN市場(chǎng)規模預測
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動(dòng)器產(chǎn)品組合，取得了顯著(zhù)進(jìn)展。英飛凌的CoolGaNTM產(chǎn)品線(xiàn)在奧地利菲拉赫和馬來(lái)西亞居林的兩座200毫米晶圓廠(chǎng)投產(chǎn)，并與代工合作伙伴密切協(xié)作，甚至率先開(kāi)發(fā)全球首項300毫米GaN功率半導體技術(shù)。
雖然高壓GaN開(kāi)關(guān)（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(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類(lèi)和工業(yè)應用中嶄露頭角。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（FOM）。
CoolGaNTM氮化鎵功率開(kāi)關(guān)器件的優(yōu)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(yáng)能逆變器、D類(lèi)音頻放大器、低壓電機驅動(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)濟高效的引線(xiàn)框技術(shù)，并列排放多個(gè)漏極/源極/柵極端子。由于GaN器件具有水平結構，所有三個(gè)端子（柵極、漏極和源極）都位于芯片的同一側，并通過(guò)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(guò)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)的基礎上做出的進(jìn)一步改進(jìn)，是一種雙向開(kāi)關(guān)（BDS），在導通時(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)的水平結構，這些器件共享一個(gè)公共源極區域，并配備兩個(gè)漏極，在尺寸和成本上優(yōu)于背對背硅基開(kāi)關(guān)器件！
圖6：CoolGaNTM BDS與背對背硅基MOSFET相比更節省空間
結論
隨著(zhù)能源消耗的持續增長(cháng)，以及對可持續發(fā)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(lái)的目標是可以實(shí)現的，但這要求在電力鏈中每一個(gè)環(huán)節都高度關(guān)注能源效率的提升。對此，GaN技術(shù)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(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/
（來(lái)源：德州儀器，校對：宋清亮 英飛凌科技消費、計算與通訊業(yè)務(wù)大中華區高級首席工程師）
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