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2025-04-02科技洞察 | 邁向更綠的未來：GaN 技術的變革性影響
來源: 英飛凌官方微信
本文作者
作者 / Nihit Bajaj 英飛凌科技 GaN 產品資深總監
校對/宋清亮 英飛凌科技大中華區消費、運算與通訊業務資深首席工程師
在過去幾十年間，人口和經濟活動的快速成長推動了全球能源消耗的穩定成長，並且預計這一趨勢還將持續。這種成長是線下與線上活動共同作用的結果。因此，資料中心的快速擴張顯著增加了全球電力需求。據估計，2022 年全球資料中心耗電量約為 240-340 太瓦時（TWh）。近年來，全球資料中心的能源消耗以每年 20-40% 的速度持續成長 [1]。
隨著能源消耗的增加，相關的二氧化碳排放量也達到 2022 年創紀錄的37千兆噸。為因應此議題，國際能源總署（IEA）提出了一項全球策略，制定了 2030 年必須實現的關鍵行動目標，旨在扭轉排放曲線，並將能源產業加入使全球暖化控制在 1.5°C 的隊伍當中 [2]。
圖 2：電力鏈－ 從配電到用電
這些將在 2030 年實現的目標如下：
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、更有效率的能源管理。而功率半導體技術則是這條鏈條各環節的核心所在。
電氣化
在低碳化方面，推動過去主導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耗中的佔比穩步上升，現已達到 20%。未來幾年，這一比例將加速成長。在國際能源總署的既定政策（STEPS）情境中，到 2050 年，電力在全球最終能源消耗中的佔比預計將達到30%，而在「淨零排放（NZE）」情境中，該比例將達到 53% [2]。
清潔發電
圖 3：再生能源成本逐步下降
如今，再生能源發電約佔全球電力生產的 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，再生能源已從最昂貴的能源變為最經濟的選擇 [3]。
CoolGaN™ 技術：以能源效率為核心
圖 4：Si、SiC 和 GaN 的輸出功率與開關頻率
在利用再生能源進行清潔發電的同時，提升能效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能高效系統，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個難題。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而又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 元件的諸多應用中，與前者互為補充，能夠提供更好的散熱性能、更高的可靠性和更緊湊的解決方案。 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的功率下，優勢更為明顯。
圖 5：截至 2028 年的 GaN 市場規模預測
再回到電氣化的議題，尤其是建築、工業和交通領域對電力的需求。在 STEPS 情境中，到 2050 年，建築業仍是用電量最大的領域，原因是對家用電器、冷凍與供暖，以及熱水的需求持續成長；工業領域仍是第二大用電產業，其中電動機佔比較大。在 STEPS 情境中，到 2050 年，電動車預計將佔總用電需求成長的 15% 左右，這是因為電動車銷售將加速成長，成為用電需求成長的主要驅動因素。
那麼，該如何實現具有性價比的發電鏈效率提升呢？
眾所周知，星巴克在營運中著重效率提升，力求消除生產過程中每一秒不必要的浪費 [4]。同樣，技術解決方案也應該專注於在設計中提升每個百分點的效率。寬禁帶半導體裝置（特別是 GaN）在這一領域將大有可為。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的充電器效率和功率密度，人們普遍認為「GaN 充電器」比非 GaN 充電器更新、更小、功率更高。然而，這只是 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 技術的累積潛在市場規模達到 60 億美元，包括伺服器、太陽能、電動車車載充電器和電機驅動裝置等多個領域也正在加速向這項創新技術轉型 [5]。
即將上市
在 GaN 市場，英飛凌憑藉著豐富的分立式和集成式解決方案，以及匹配的控制器和驅動器產品組合，取得了顯著進展。英飛凌的 CoolGaN™ 產品線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協作，甚至率先開發全球首項 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 電源和高壓電機驅動裝置等 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，基於肖特基閘極技術，與相同電壓等級的最佳矽基溝槽裝置相比，具備更優異的性能指標（FOM）。
圖 6：CoolGaN™ BDS 與背對背矽基 MOSFET 相比更節省空間
CoolGaN™ 氮化鎵功率開關裝置的優異 FOM 提升了多種應用的效能，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 類音訊放大器、低壓電機驅動裝置、伺服器/電信 IBC 和 LiDAR。
60V-200V CoolGaN™ 電晶體產品採用 3x3 和 3x5 PQFN（TSON）封裝，使用高效能且經濟高效的引線框技術，並列排放多個汲極/源極/閘極端子。由於 GaN 元件具有水平結構，所有三個端子（閘極、汲極和源極）都位於晶片的同一側，並透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 GaN 在矽基技術的基礎上做出的進一步改進，是一種雙向開關（BDS），在導通時支援雙向電流流動，在關閉時提供雙向電流電壓阻斷。再次歸功於 GaN 技術的水平結構，這些裝置共享一個公共源極區域，並配備兩個汲極，在尺寸和成本上優於背對背矽基開關元件！
結論
隨著能源消耗的持續成長，以及對永續發展的需求，我們需要打造出好的設計、元件和系統，以最大限度地減少能源浪費。
如文中所述，儘管 2030 年邁向綠色未來的目標是可以實現的，但這要求在電力鏈中每個環節都高度關注能源效率的提升。對此，GaN 技術展現了在建構高效電力電子系統方面的巨大潛能，英飛凌的 CoolGaN™ 等創新產品可以在不增加物料清單（BOM）成本的前提下，減少重新設計的工作量。
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參考文獻
[1] IEA: Data Centres and Data Transmission Networks;
[2] IEA: World Energy Outlook 2023; IEA; Paris;
[3] Lazard: 2023 Levelized Cost Of Energy+;
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