往常几十年间，东说念主口和经济行径的快速增长激动了全球动力蹧跶的稳步增长，况且瞻望这一趋势还将握续。这种增长是线下与线上行径共同作用的终结。因此，数据中心的快速延迟显耀加多了全球电力需求。据议论，2022 年全球数据中心耗电量约为240-340 太瓦时（TWh）。比年来，全球数据中心的动力蹧跶以每年20-40% 的速率握续增长[1]。
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图1 1910年以来全球二氧化碳排放量（单元：千兆吨）：总量（上）；按行业永别（下）
跟着动力蹧跶的加多，讨论的二氧化碳排放量也在2022年达到创记录的37 千兆吨。为应付这一问题，海外动力署（IEA）冷落了一项全球计谋，制定了到2030年必须完好意思的关键步履所在，旨在扭转排放弧线，并将动力行业加入到使全球变暖限制在1.5℃ 的队伍当中[2]。
这些将在2030 年完好意思的所在如下：
● 全球可再机动力装机容量加多三倍：达到11,000吉瓦
● 动力效果提高速率加速一倍：至每年4%
● 提高结尾用户的电气化进程：举例电动汽车、热泵
● 将化石燃料产生的甲烷排放量减少75%
● 将化石燃料的使用量减少25%
图2 电力链—— 从配电到用电
为了完好意思这些所在，咱们必须找到处分决策，以便在电力全链条（发电、输电、储电和用电）的各个设施完好意思更智能、更高效的动力不停。而功率半导体时间则是这一链条各设施的中枢所在。
图3 可再机动力资本冉冉下跌
电气化
在低碳化方面，激动往常占主导地位的化石燃料领域电气化，是减少二氧化碳排放的关键。近几十年来，电力在全球最终动力消费中的占比稳步飞腾，现已达到20%。将来几年，这一比例将加速增长。在海外动力署的既定政策（STEPS）情状中，到2050 年，电力在全球最终动力消费中的占比瞻望将达到30%，而在“净零排放（NZE）”情状中，该比例将达到53%[2]。
图4 Si、SiC和GaN的输出功率与开关频率
1 清洁发电
如今，可再机动力发电约占全球电力分娩的30%。在STEPS情状中，这一比例瞻望将提高到70%，在NZE 情状中，将提高到89%[2]。比年来，低碳化的努力也曾初显成效——在往常15 年，可再机动力已从最崇高的动力变为最经济的遴荐[3]。
图4 Si、SiC和GaN的输出功率与开关频率
2 CoolGaNTM时间：以能效为中枢
在讹诈可再机动力进行清洁发电的同期，进步能效雷同是完好意思低碳化所在的关键。这不仅需要策画出耗电量尽可能低的智能高效系统，还需要最大限制地减少这些系统中每一个功率养息设施的损耗。其中，后一个挑战是本文接洽的要点。在往常几十年中，硅（Si）基功率半导体告成处分了这一贫苦。但是，比年来功率半导体时间的率先，催生了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带材料（WBG）时间，它们为多种应用提供了独有而又显耀的效果进步和功率密度上风。
图4 展示了硅、SiC 和GaN 这三种功率半导体时间的共存关系。尽管硅基时间仍是广博应用的主流遴荐，但SiC 时间在需要使用400 V-3.3 kV 器件的诸多应用中，与前者互为补充，大略提供更好的散热性能、更高的可靠性和更为紧凑的处分决策。GaN时间在40V-750V的低压范围内，与硅基时间竞争浓烈，绝顶是在高开关频率和较低的功率下，上风更为廓清。再回到电气化的话题，尤其是建筑、工业和交通领域对电力的需求。在STEPS 情状中，到2050 年，建筑行业仍然是用电量最大的领域，原因是对家用电器、制冷与供暖，以及滚水的需求握续增长；工业领域仍然是第二大用电行业，其中电动机占比较大。在STEPS 情状中，到2050 年，电动汽车瞻望将占总用电需求增幅的15%操纵，这是因为电动汽车销量将加速增长，成为用电需求增长的主要开动成分。
那么，该怎么完好意思具有性价比的发电链效果进步呢？
人所共知，星巴克在运营中禁锢效果进步，奋力抛弃分娩经过中每一秒无谓要的蚀本[4]。雷同，时间处分决策也应该专注于在策画中进步每一个百分点的效果。宽禁带半导体器件（绝顶是GaN）在这一领域将康庄大道。现在，GaN 时间的一个典型应用是，进步智高手机和条记本电脑的充电器效果和功率密度，东说念主们大批以为“GaN 充电器”比非GaN 充电器更新、更小、功率更高。但是，这仅仅GaN 商场后劲的冰山一角。证实商场研究公司Yole Development 的2023 年GaN 呈报，2023 年至2029 年间，GaN 时间的累计潜在商场领域达到60 亿好意思元，包括就业器、太阳能、电动汽车车载充电器和电机开动安设等多个领域也正在加速向这项翻新时间转型[5]。
图5 限制2028年的GaN商场领域预测
在GaN商场，英飞凌凭借丰富的分立式和集成式处分决策，以及匹配的限制器和开动器产物组合，赢得了显耀发达。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，并与代工合作伙伴密切结合，以致率先成立全球首项300 毫米GaN 功率半导体时间。
固然高压GaN 开关（每每在600 V 至900 V 之间）凡俗应用于PSU 电源和高压电机开动安设等AC-DC领域，但英飞凌最新推出的中压（MV） CoolGaNTM 产物组合正在广博其他消费类和工业应用中崭露头角。这些产物的电压范围为40 V 至200 V，基于肖特基栅极时间，与调换电压等第的最好硅基沟槽器件比拟，具备更优异的性能观念（FOM）。
CoolGaNTM 氮化镓功率开关器件的优异FOM 进步了多种应用的性能，并裁汰了系统资本，其中包括安闲DC-DC 稳压器、太阳能逆变器、D 类音频放大器、低压电机开动安设、就业器/ 电信IBC 和LiDAR。
60 V-200 V CoolGaNTM 晶体管产物接管3x3 和3x5PQFN（TSON）封装，使用高性能且经济高效的引线框时间，比肩排放多个漏极/ 源极/ 栅极点子。由于GaN器件具有水平结构，统统三个端子（栅极、漏极和源极）齐位于芯片的合并侧，并通过交错式拓扑结构引出。这种策画最大限制地裁汰了封装的寄收效应（电阻和电感），并通过优化的热闪现旅途，平直冷却CoolGaNTM电流通说念。
这三款40 V CoolGaNTM 器件是GaN 在硅基时间的基础上作念出的进一步修订，是一种双向开关（BDS），在导通时援助双向电流流动，在关断时提供双向电流电压阻断。再次收获于GaN 时间的水平结构，这些器件分享一个全球源极区域，并配备两个漏极，在尺寸和资本上优于背对背硅基开关器件！
图6 CoolGaNTM BDS与背对背硅基MOSFET比拟更省俭空间
3 扫尾语
跟着动力蹧跶的握续增长，以及对可握续发展的需求，咱们需要打造出好的策画、器件和系统，以最大限制地减少动力蚀本。
正如文中所述，尽管2030 老迈向绿色将来的所在是不错完好意思的，但这条目在电力链中每一个设施齐高度温雅动力效果的进步。对此，GaN 时间展现了在构建高效电力电子系统方面的浩大潜能，英飞凌的CoolGaNTM等翻新产物不错在不加多物料清单（BOM）资本的前提下，减少再行策画的使命量。
参考文件：
[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/
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