从前多少十年间，生齿跟经济运动的疾速增加推进了寰球动力耗费的稳步增加，而且估计这一趋向还将连续。这种增加是线下与线上运动独特感化的成果。因而，数据核心的疾速扩大明显增添了寰球电力需要。据估量，2022 年寰球数据核心耗电量约为240-340 太瓦时（TWh）。比年来，寰球数据核心的动力耗费以每年20-40% 的速率连续增加[1]。本文援用地点：图1 1910年以来寰球二氧化碳排放量（单元：千兆吨）：总量（上）；按行业分别（下）跟着动力耗费的增添，相干的二氧化碳排放量也在2022年到达创记录的37 千兆吨。为应答这一成绩，国际动力署（IEA）提出了一项寰球策略，制订了到2030年必需实现的要害举动目的，旨在改变排放曲线，并将动力行业参加到使寰球变暖把持在1.5℃ 的步队傍边[2]。这些将在2030 年实现的目的如下：●   寰球可再生动力装机容量增添三倍：到达11,000吉瓦●   动力效力进步速率放慢一倍：至每年4%●   进步终端用户的电气化水平：比方电动汽车、热泵●   将化石燃料发生的甲烷排放量增加75%●   将化石燃料的应用量增加25%图2 电力链—— 从配电到用电为了实现这些目的，咱们必需找到处理计划，以便在电力全链条（发电、输电、储电跟用电）的各个环节实现更智能、更高效的动力治理。而功率半导体技巧则是这一链条各环节的中心地点。图3 可再生动力本钱逐渐降落电气化在低碳化方面，推进从前占主导位置的化石燃料范畴电气化，是增加二氧化碳排放的要害。近多少十年来，电力在寰球终极动力花费中的占比稳步回升，现已到达20%。将来多少年，这一比例将减速增加。在国际动力署的既定政策（STEPS）情景中，到2050 年，电力在寰球终极动力花费中的占比估计将到达30%，而在“净零排放（NZE）”情景中，该比例将到达53%[2]。图4 Si、SiC跟GaN的输出功率与开关频率1   干净发电现在，可再生动力发电约占寰球电力出产的30%。在STEPS情景中，这一比例估计将进步到70%，在NZE 情景中，将进步到89%[2]。比年来，低碳化的尽力曾经初显功效——在从前15 年，可再生动力已从最昂贵的动力变为最经济的抉择[3]。图4 Si、SiC跟GaN的输出功率与开关频率2   CoolGaNTM技巧：以能效为中心在应用可再生动力停止干净发电的同时，晋升能效同样是实现低碳化目的的要害。这不只须要计划出耗电量尽可能低的智能高效体系，还须要最年夜限制地增加这些体系中每一个功率转换环节的消耗。此中，后一个挑衅是本文探讨的重点。在从前多少十年中，硅（Si）基功率半导体胜利处理了这一困难。但是，比年来功率半导体技巧的提高，催生了碳化硅（SiC）跟氮化镓（GaN）等宽禁带资料（WBG）技巧，它们为多种利用供给了奇特而又明显的效力晋升跟功率密度上风。图4 展现了硅、SiC 跟GaN 这三种功率半导体技巧的共存关联。只管硅基技巧还是浩繁利用的主流抉择，但SiC 技巧在须要应用400 V-3.3 kV 器件的诸多利用中，与前者互为弥补，可能供给更好的散热机能、更高的牢靠性跟更为紧凑的处理计划。GaN技巧在40V-750V的高压范畴内，与硅基技巧竞争剧烈，特殊是在高开关频率跟较低的功率下，上风更为显明。再回到电气化的话题，尤其是建造、产业跟交通范畴对电力的需要。在STEPS 情景中，到2050 年，建造行业依然是用电量最年夜的范畴，起因是对家用电器、制冷与供暖，以及热水的需要连续增加；产业范畴依然是第二年夜用电行业，此中电念头占比拟年夜。在STEPS 情景中，到2050 年，电动汽车估计将占总用电需要增幅的15%阁下，这是由于电动汽车销量将减速增加，成为用电需要增加的重要驱动要素。那么，该怎样实现存在性价比的发电链效力晋升呢？家喻户晓，星巴克在经营中重视效力晋升，力图打消出产进程中每一秒不用要的挥霍[4]。同样，技巧处理计划也应当专一于在计划中晋升每一个百分点的效力。宽禁带半导体器件（特殊是GaN）在这一范畴将年夜有可为。现在，GaN 技巧的一个典范利用是，晋升智妙手机跟条记本电脑的充电器效力跟功率密度，人们广泛以为“GaN 充电器”比非GaN 充电器更新、更小、功率更高。但是，这只是GaN 市场潜力的冰山一角。依据市场研讨公司Yole Development 的2023 年GaN 讲演，2023 年至2029 年间，GaN 技巧的累计潜伏市场范围到达60 亿美元，包含效劳器、太阳能、电动汽车车载充电器跟电机驱动安装等多个范畴也正在减速向这项翻新技巧转型[5]。图5 停止2028年的GaN市场范围猜测在GaN市场，英飞凌凭仗丰盛的分破式跟集成式处理计划，以及婚配的把持器跟驱动器产物组合，获得了明显停顿。英飞凌的CoolGaNTM产物线在奥天时菲拉赫跟马来西亚居林的两座200 毫米晶圆厂投产，并与代工配合搭档亲密合作，乃至率先开辟寰球首项300 毫米GaN 功率半导体技巧。固然高压GaN 开关（平日在600 V 至900 V 之间）普遍利用于PSU 电源跟高压电机驱动安装等AC-DC范畴，但英飞凌最新推出的中压（MV） CoolGaNTM 产物组合正在浩繁其余花费类跟产业利用中锋芒毕露。这些产物的电压范畴为40 V 至200 V，基于肖特基栅极技巧，与雷同电压品级的最佳硅基沟槽器件比拟，具有更优良的机能指标（FOM）。CoolGaNTM 氮化镓功率开关器件的优良FOM 晋升了多种利用的机能，并下降了体系本钱，此中包含自力DC-DC 稳压器、太阳能逆变器、D 类音频缩小器、高压电机驱动安装、效劳器/ 电信IBC 跟LiDAR。60 V-200 V CoolGaNTM 晶体管产物采取3x3 跟3x5PQFN（TSON）封装，应用高机能且经济高效的引线框技巧，并列排放多个漏极/ 源极/ 栅极其子。因为GaN器件存在程度构造，全部三个端子（栅极、漏极跟源极）都位于芯片的统一侧，并经由过程交织式拓扑构造引出。这种计划最年夜限制地下降了封装的寄失效应（电阻跟电感），并经由过程优化的热衔接门路，直接冷却CoolGaNTM电流畅道。这三款40 V CoolGaNTM 器件是GaN 在硅基技巧的基本上做出的进一步改良，是一种双向开关（BDS），在导通时支撑双向电流活动，在关断时供给双向电流电压阻断。再次得益于GaN 技巧的程度构造，这些器件共享一个大众源极地区，并装备两个漏极，在尺寸跟本钱上优于背对背硅基开关器件！图6 CoolGaNTM BDS与背对背硅基MOSFET比拟更节俭空间3   停止语跟着动力耗费的连续增加，以及对可连续开展的需要，咱们须要打造出好的计划、器件跟体系，以最年夜限制地增加动力挥霍。正如文中所述，只管2030 年老向绿色将来的目的是能够实现的，但这请求在电力链中每一个环节都高度存眷动力效力的晋升。对此，GaN 技巧展示了在构建高效电力电子体系方面的宏大潜能，英飞凌的CoolGaNTM等翻新产物能够在不增添物料清单（BOM）本钱的条件下，增加从新计划的任务量。参考文献：[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/ 　　申明：新浪网独家稿件，未经受权制止转载。 -->