爱游戏-迈向更绿色的未来：GaN技术的变革性影响

2025-01-14

[导读]曩昔几十年间，生齿和经济勾当的快速增加鞭策了全球能源耗损的稳步增加，而且估计这一趋向还将延续。这类增加是线下与线上勾当配合感化的成果。是以，数据中间的快速扩大显著增添了全球电力需求。据估量，2022年全球数据中间耗电量约为240-340太瓦时（TWh）。最近几年来，全球数据中间的能源耗损以每一年20-40%的速度延续增加[1]。作者：Nihit Bajaj 英飞凌科技 GaN产物高级总监校订：宋清澈英飞凌科技消费、计较与通信营业年夜中华区高级首席工程师曩昔几十年间，生齿和经济勾当的快速增加鞭策了全球能源耗损的稳步增加，而且估计这一趋向还将延续。这类增加是线下与线上勾当配合感化的成果。是以，数据中间的快速扩大显著增添了全球电力需求。据估量，2022年全球数据中间耗电量约为240-340太瓦时（TWh）。最近几年来，全球数据中间的能源耗损以每一年20-40%的速度延续增加[1]。图1：1910年以来全球二氧化碳排放量（单元：千兆吨）：总量（左）；按行业划分（右）跟着能源耗损的增添，相干的二氧化碳排放量也在2022年到达创记载的37千兆吨。为应对这一问题，国际能源署（IEA）提出了一项全球计谋，制订了到2030年必需实现的要害步履方针，旨在改变排放曲线，并将能源行业插手到使全球变暖节制在1.5°C的步队傍边[2]。这些将在2030年实现的方针以下： •全球可再生能源装机容量增添三倍：到达11,000 吉瓦 •能源效力提高速度加速一倍：至每一年4% •提高终端用户的电气化水平：例如电动汽车、热泵 •将化石燃料发生的甲烷排放量削减75% •将化石燃料的利用量削减25% 为了实现这些方针，我们必需找到解决方案，以便在电力全链条（发电、输电、储电和用电）的各个环节实现更智能、更高效的能源治理。而功率半导体手艺则是这一链条各环节的焦点地点。图2：电力链—— 从配电到用电在低碳化方面，鞭策曩昔占主导地位的化石燃料范畴电气化，是削减二氧化碳排放的要害。近几十年来，电力在全球终究能源消费中的占比稳步上升，现已到达20%。将来几年，这一比例将加快增加。在国际能源署的既定政策（STEPS）情形中，到2050年，电力在全球终究能源消费中的占比估计将到达30%，而在“净零排放（NZE）”情形中，该比例将到达53%[2]。洁净发电现在，可再生能源发电约占全球电力出产的30%。在STEPS情形中，这一比例估计将提高到70%，在NZE情形中，将提高到89%[2]。最近几年来，低碳化的尽力已初显成效——在曩昔15年，可再生能源已从最昂贵的能源变成最经济的选择[3]。图3：可再生能源本钱慢慢降落 CoolGaNTM手艺：以能效为焦点在操纵可再生能源进行洁净发电的同时，晋升能效一样是实现低碳化方针的要害。这不但需要设计出耗电量尽量低的智能高效系统，还需要最年夜限度地削减这些系统中每个功率转换环节的消耗。此中，后一个挑战是本文会商的重点。在曩昔几十年中，硅（Si）基功率半导体成功解决了这一困难。但是，最近几年来功率半导体手艺的前进，催生了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带材料（WBG）手艺，它们为多种利用供给了怪异而又显著的效力晋升和功率密度优势。图4展现了硅、SiC和GaN这三种功率半导体手艺的共存关系。虽然硅基手艺还是浩繁利用的主流选择，但SiC手艺在需要利用400 V-3.3 kV器件的诸多利用中，与前者互为弥补，可以或许供给更好的散热机能、更高的靠得住性和更加紧凑的解决方案。GaN手艺在40 V-750 V的低压规模内，与硅基手艺竞争剧烈，特殊是在高开关频率和较低的功率下，优势更加较着。图4：Si、SiC和GaN的输出功率与开关频率再回到电气化的话题，特别是建筑、工业和交通范畴对电力的需求。在STEPS情形中，到2050年，建筑行业依然是用电量最年夜的范畴，缘由是对家用电器、制冷与供暖，和热水的需求延续增加；工业范畴依然是第二年夜用电行业，此中电念头占比力年夜。在STEPS情形中，到2050年，电动汽车估计将占总用电需求增幅的15%摆布，这是由于电动汽车销量将加快增加，成为用电需求增加的首要驱动身分。那末，该若何实现具有性价比的发电链效力晋升呢？尽人皆知，星巴克在运营中重视效力晋升，力图消弭出产进程中每秒没必要要的华侈[4]。一样，手艺解决方案也应当专注在在设计中晋升每个百分点的效力。宽禁带半导体器件（特殊是GaN）在这一范畴将年夜有可为。今朝，GaN手艺的一个典型利用是，晋升智妙手机和笔记本电脑的充电器效力和功率密度，人们遍及认为“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。按照市场研究公司Yole Development的2023年GaN陈述，2023年至2029年间，GaN手艺的累计潜伏市场范围到达60亿美元，包罗办事器、太阳能、电动汽车车载充电器和机电驱动装配等多个范畴也正在加快向这项立异手艺转型[5]。图5：截至2028年的GaN市场范围猜测在GaN市场，英飞凌凭仗丰硕的分立式和集成式解决方案，和匹配的节制器和驱动器产物组合，获得了显著进展。英飞凌的CoolGaNTM产物线在奥地利菲拉赫和马来西亚居林的两座200毫米晶圆厂投产，并与代工合作火伴紧密亲密协作，乃至率先开辟全球首项300毫米GaN功率半导体手艺。固然高压GaN开关（凡是在600 V至900 V之间）普遍利用在PSU电源和高压机电驱动装配等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他消费类和工业利用中崭露头角。这些产物的电压规模为40 V至200 V，基在肖特基栅极手艺，与不异电压品级的最好硅基沟槽器件比拟，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，并下降了系统本钱，此中包罗自力DC-DC稳压器、太阳能逆变器、D类音频放年夜器、低压机电驱动装配、办事器/电信IBC和LiDAR。 60 V-200 V CoolGaNTM晶体管产物采取3x3和3x5 PQFN（TSON）封装，利用高机能且经济高效的引线框手艺，并列排放多个漏极/源极/栅极端子。因为GaN器件具有程度布局，所有三个端子（栅极、漏极和源极）都位在芯片的统一侧，并经由过程交织式拓扑布局引出。这类设计最年夜限度地下降了封装的寄生效应（电阻和电感），并经由过程优化的热毗连路径，直接冷却CoolGaNTM电畅通道。这三款40 V CoolGaNTM器件是GaN在硅基手艺的根本上做出的进一步改良，是一种双向开关（BDS），在导通时撑持双向电流活动，在关断时供给双向电流电压阻断。再次得益在GaN手艺的程度布局，这些器件同享一个公共源极区域，并配备两个漏极，在尺寸和本钱上优在背对背硅基开关器件！图6：CoolGaNTM BDS与背对背硅基MOSFET比拟更节流空间跟着能源耗损的延续增加，和对可延续成长的需求，我们需要打造出好的设计、器件和系统，以最年夜限度地削减能源华侈。正如文中所述，虽然2030年老向绿色将来的方针是可以实现的，但这要求在电力链中每个环节都高度存眷能源效力的晋升。对此，GaN手艺揭示了在构建高效电力电子系统方面的庞大潜能，英飞凌的CoolGaNTM等立异产物可以在不增添物料清单（BOM）本钱的条件下，削减从头设计的工作量。