开启更绿色的未来：氮化镓技术引领能源效率革命

过去几十年来，全球能源消耗稳步增长，主要驱动力是人口增加和经济活动的快速扩张，预计这一趋势还将持续。这种增长既源于传统的线下活动，也得益于日益增长的线上活动。因此，数据中心的快速增长导致全球电力需求大幅增加。据估计，2022年全球数据中心的耗电量约为240至340TWh。过去几年中，能源消耗一直以20%至40%的速度增长。¹

图1：自1910年以来全球二氧化碳排放量(单位：千兆吨)——总量(左)和行业分类(右)。

随着能源消耗的增加，相关的二氧化碳排放量也增加到2022年的370亿吨，创历史新高。因此，国际能源署(IEA)提出了一项全球战略，其中包括到2030年要实施的关键行动，以实现排放曲线向下弯曲，并使能源行业走上将全球变暖限制在1.5℃以内的道路。²这些目标包括：

• 将全球可再生能源装机容量增加两倍，达到11,000GW；
• 将能效提高速度加倍，达到每年4%；
• 提高终端用户的电气化程度(电动汽车、热泵)；
• 将化石燃料作业产生的甲烷排放量减少75%；
• 将化石燃料的使用量减少25%。

要持续开展这些关键行动，我们必须找到解决方案，在能源生产、传输、存储和消耗等电力链的各个环节更智能、更高效地管理能源。当然，功率半导体技术是这一链条中每个环节的核心。

图2：从发电到耗电的电力链。

电气化

电气化对于脱碳至关重要，尤其是在以前以化石燃料为主的地区。近几十年来，电力在全球最终能源消耗总量中的份额稳步上升，目前已达到20%。未来几年，其增长速度还将加快。根据国际能源署的既定政策情景(STEPS)，预计到2050年，电力将占全球最终能源消耗的30%，而在净零排放(NZE)情景中则将占53%。²

清洁发电

如今，可再生能源发电约占全球电力行业的30%。预计在STEPS情景中将增长到70%，在NZE情景中将增长到89%。²脱碳带来了显著回报：在过去十五年里，可再生能源已经从最昂贵的电力来源转变为最便宜的电力来源。

图3：降低可再生能源成本。

能源效率是CoolGaN™技术的核心

虽然清洁发电明确指向可再生能源，但杠杆的另一端——高效能源消耗——对于实现脱碳目标同样至关重要。这意味着要设计能耗最低的智能高效系统，并最大限度地减少这些系统中每个电源转换阶段的损耗。后一项挑战是本文的重点，在过去几十年中，硅基功率半导体已成功地应对了这一挑战。然而，近年来功率半导体技术的进步，包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在内的宽禁带材料(WBG)已进入市场，为一系列应用提供了独特而显著的效率和功率密度优势。

图4展示了三种功率半导体技术(Si、SiC和GaN)如何共存。虽然Si在许多应用中都是主流技术，但在需要400V至3.3kV器件的应用中，SiC对Si形成了补充，实现了更低温、更可靠和更紧凑的解决方案。GaN在40V至750V的较低电压范围内与Si形成竞争，在开关频率较高和功率相对较低的情况下优势最大。

图4：Si、SiC和GaN输出功率与开关频率的关系。

回到电气化的话题，特别是建筑、工业和交通所需的电力份额。随着家用电器、空间制冷和供暖以及热水的需求不断增长，建筑行业在2050年之前仍然是STEPS中消耗量最大的行业。工业仍然是第二大电力用户，其中大部分需求来自电机。到2050年，电动汽车约占STEPS总电力需求增长的15%，成为电力需求增长的主要驱动力之一。

那么，如何在不增加成本的情况下提高发电链的效率呢？

例如，星巴克致力于将效率提升到细节层面，力求在其流程中消除每一秒不必要的等待时间。³类似地，技术解决方案也应努力提高设计中每一个百分点的效率。为此，WBG半导体器件，尤其是GaN，将发挥至关重要的作用。到目前为止，GaN的应用主要是提高智能手机和笔记本电脑充电器的效率和功率密度，以至于日常用户普遍认为GaN充电器是一种比非GaN充电器更新、更小、功率更高的充电器。然而，用于充电器的GaN只是GaN市场的冰山一角。根据市场研究公司Yole Group的2023年GaN报告，GaN市场在2023年至2028年间的累计潜力为60亿美元，服务器、太阳能、电动汽车车载充电器和电机驱动器等市场正处于向这项创新技术过渡的风口浪尖。

图5：2028年GaN市场规模预测。

英飞凌科技(Infineon)凭借丰富的分立和集成解决方案以及与之相匹配的控制器和驱动器，在GaN市场取得了长足的进步。英飞凌的CoolGaN™技术由位于奥地利菲拉赫和马来西亚居林的两座200mm晶圆厂生产，并与代工厂建立了牢固的合作伙伴关系，甚至开创了全球首个300mm功率GaN技术。

虽然高压GaN开关(通常在600V和900V之间)在AC/DC应用——如电源供应器(PSU)和高压电机驱动器中占据主导地位，但英飞凌最新的中压CoolGaN™产品组合已在广泛的其他消费和工业应用中崭露头角。这些产品的电压范围从40V到200V，基于肖特基栅极技术，与这些电压等级中同类最佳的沟槽硅基产品相比，具有更优异的品质因数(FOM)。

图6：100V下CoolGaN™与沟槽硅基产品之间的比较。

图7：英飞凌40V至200V CoolGaN™产品系列。

这些GaN功率开关出色的FOM可在多种应用中转化为出色的性能和更低的系统成本，包括独立的DC-DC稳压器、太阳能逆变器、D类音频放大器、低压电机驱动器、服务器/电信中间总线转换器(IBC)和激光雷达(LiDAR)。

60V至200V范围内的CoolGaN™晶体管产品采用3×3mm和3×5mm PQFN(TSON)封装，运用了高性价比的高性能引线框架技术，并在封装内并排放置多个漏极、源极和栅极引脚。由于GaN器件的横向特性，所有三个端子(栅极、漏极和源极)都位于芯片的同一侧，并将这些芯片端子通过交错拓扑引到外部。这确保了封装具有最低的寄生效应(电阻和电感)，以及直接冷却CoolGaN™沟槽的最佳热连接。

图8：英飞凌用于3×3mm和3×5mm PQFN(TSON)封装的GaN器件的引线框架技术。

三款CoolGaN™ 40V器件都是双向开关，在开启时允许双向电流流动，在关闭时提供双向电流/电压阻断，进一步提高了GaN相比Si材料的优势。同样得益于GaN的横向结构，这些器件共享一个源极区，但有两个漏极，因此在尺寸和成本方面与背对背硅基开关不相上下。

图9：GaN的横向结构可实现双漏极，从而减小尺寸和降低成本。

随着能源消耗的不断增加，以及对可持续发展的关注，我们还需要创造更好的设计、器件和系统，以尽可能减少能源浪费。

实现2030年绿色未来目标的道路是可行的，但这需要在各个层面高度重视能源效率。GaN为极高效的电力电子系统提供了巨大的潜力，而英飞凌的CoolGaN™等创新产品可在不增加BOM成本的情况下减少重新设计的工作量。

参考文献

¹International Energy Agency. “Data Centres and Data Transmission Networks.”

²International Energy Agency. (October 2023). “World Energy Outlook 2023.”

³Starbucks Corporation. (September 2022). “Recipe for reinvention: Starbucks unveils innovations for better customer, barista experiences.”

⁴Yole Group. (October 2024). “GaN Valley & Yole Webinar – Power GaN: Market & Technology Trends.”

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Unlocking a Greener Tomorrow: The Transformative Impact of GaN Technology，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。