技術洞察 | 邁向更綠色的未來：GaN技術的變革性影響

關鍵字 :InfineonGaNGreenMOSFET

本文作者

作者

尼希特·巴賈吉英飛凌科技 GaN產品高級總監

校對

宋清亮英飛凌科技大中華區消費、計算與通訊業務高級首席工程師

過去幾十年間，人口和經濟活動的快速增長推動了全球能源消耗的穩步增長，並且預計這一趨勢還將持續。這種增長是線下與線上活動共同作用的結果。因此，數據中心的快速擴張顯著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（TWh）。近年來，全球數據中心的能源消耗以每年20-40%的速度持續增長[1]。

圖1：1910年以來全球二氧化碳排放量（單位：千兆噸）：總量（左）；按行業劃分（右）

隨著能源消耗的增加，相關的二氧化碳排放量也在2022年達到創紀錄的37千兆噸。為了應對這一問題，國際能源署（IEA）提出了一項全球策略，制定了到2030年必須實現的關鍵行動目標，旨在扭轉排放曲線，並將能源產業納入將全球暖化控制在1.5°C的行列中[2]。

這些在2030年將實現的目標如下：

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%
提高終端用戶的電氣化程度例如電動汽車、熱泵
將化石燃料產生的甲烷排放量減少75%
將化石燃料的使用量減少25%

為了實現這些目標，我們必須找到解決方案，以便在電力全鏈條（發電、輸電、儲電和用電）的各個環節實現更智慧、更高效的能源管理。而功率半導體技術則是這一鏈條各環節的核心所在。

圖 2：電力鏈—— 從配電到用電

電氣化

在低碳化方面，推動過去占主導地位的化石燃料領域電氣化，是減少二氧化碳排放的關鍵。近幾十年來，電力在全球最終能源消費中的占比穩步上升，現已達到20%。未來幾年，這一比例將加速增長。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「淨零排放（NZE）」情景中，該比例將達到53% [2]。

清潔發電

如今，可再生能源發電約占全球電力生產的30%。在STEPS情境中，這一比例預計將提高到70%，在NZE情境中，將提高到89%[2]。近年來，低碳化的努力已經初顯成效——在過去15年，可再生能源已從最昂貴的能源變為最經濟的選擇[3]。

圖3：再生能源成本逐步下降

CoolGaN™技術：以能源效率為核心

在利用再生能源進行清潔發電的同時，提升能源效率同樣是實現低碳化目標的關鍵。這不僅需要設計出耗電量盡可能低的智慧高效系統，還需要最大限度地減少這些系統中每一個功率轉換環節的損耗。其中，後一個挑戰是本文討論的重點。在過去幾十年中，矽（Si）基功率半導體成功解決了這一難題。然而，近年來功率半導體技術的進步，催生了碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬能隙材料（WBG）技術，它們為多種應用提供了獨特且顯著的效率提升和功率密度優勢。

圖4展示了矽、SiC和GaN這三種功率半導體技術的共存關係。儘管矽基技術仍然是眾多應用的主流選擇，但SiC技術在需要使用400V-3.3kV元件的許多應用中，與前者相輔相成，能夠提供更好的散熱性能、更高的可靠性以及更為緊湊的解決方案。GaN技術在40V-750V的低壓範圍內與矽基技術競爭激烈，特別是在高開關頻率和較低功率的情況下，優勢更加明顯。

圖 4：Si、SiC 和 GaN 的輸出功率與開關頻率

再回到電氣化的話題，特別是建築、工業和交通領域對電力的需求。在STEPS情境中，到2050年，建築行業仍然是用電量最大的領域，原因是對家用電器、製冷與供暖，以及熱水的需求持續增長；工業領域仍然是第二大用電行業，其中電動機占比較大。在STEPS情境中，到2050年，電動汽車預計將占總用電需求增幅的約15%，這是因為電動汽車銷量將加速增長，成為用電需求增長的主要驅動因素。

那麼，該如何實現具備性價比的發電鏈效率提升呢？

眾所皆知，星巴克在營運中非常注重效率提升，致力於消除生產過程中每一秒不必要的浪費[4]。同樣地，技術解決方案也應該專注於在設計中提升每一個百分點的效率。寬禁帶半導體元件（特別是GaN）在這個領域將有很大的發展空間。目前，GaN技術的一個典型應用是提升智慧型手機和筆記型電腦充電器的效率和功率密度。人們普遍認為「GaN充電器」比非GaN充電器更新、更小且功率更高。然而，這僅僅是GaN市場潛力的冰山一角。根據市場研究公司Yole Development的2023年GaN報告，2023年至2029年間，GaN技術的累計潛在市場規模達到60億美元，包括伺服器、太陽能、電動車車載充電器和馬達驅動裝置等多個領域也正在加速向這項創新技術轉型[5]。

圖 5：截至2028年的GaN市場規模預測

在GaN市場，英飛凌憑藉豐富的分立式和整合式解決方案，以及相匹配的控制器和驅動器產品組合，取得了顯著的進展。英飛凌的CoolGaN™產品線已在奧地利菲拉赫和馬來西亞居林的兩座200毫米晶圓廠投產，並與代工合作夥伴密切合作，甚至率先開發出全球首項300毫米GaN功率半導體技術。

雖然高壓GaN開關（通常在600V至900V之間）廣泛應用於PSU電源和高壓馬達驅動裝置等AC-DC領域，但英飛凌最新推出的中壓（MV）CoolGaN™產品組合正在眾多其他消費類和工業應用中嶄露頭角。這些產品的電壓範圍為40V至200V，基於肖特基柵極技術，與相同電壓等級的最佳矽基溝槽元件相比，具備更優異的性能指標（FOM）。

即將上市

CoolGaN™ 氮化鎵功率開關元件的優異FOM提升了多種應用的性能，並降低了系統成本，其中包括獨立DC-DC穩壓器、太陽能逆變器、D類音頻放大器、低壓馬達驅動裝置、伺服器/電信IBC和LiDAR。

60V-200V CoolGaN™ 晶體管產品採用 3x3 和 3x5 PQFN（TSON）封裝，使用高性能且經濟高效的引線框技術，並列排放多個漏極/源極/閘極端子。由於 GaN 器件具有水平結構，所有三個端子（閘極、漏極和源極）都位於晶片的同一側，並通過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），並通過優化的熱連接路徑，直接冷卻CoolGaN™電流通道。

這三款40V CoolGaN™元件是在矽基技術的基礎上進一步改良的成果，是一種雙向開關（BDS），在導通時支援雙向電流流動，在關斷時提供雙向電流電壓阻斷。由於GaN技術的水平結構，這些元件共享一個公共源極區域，並配備兩個漏極，在尺寸和成本上優於背對背矽基開關元件！