当年几十年间，东说念主口和经济活动的快速增长鼓动了全球动力阔绰的稳步增长，而况瞻望这一趋势还将执续。这种增长是线下与线上活动共同作用的赶走。因此，数据中心的快速膨胀显贵增多了全球电力需求。据预计，2022 年全球数据中心耗电量约为240-340 太瓦时（TWh）。连年来，全球数据中心的动力阔绰以每年20-40% 的速率执续增长[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）；按行业区别（下）跟着动力阔绰的增多，磋磨的二氧化碳排放量也在2022年达到创记载的37 千兆吨。为应答这一问题，海外动力署（IEA）建议了一项全球计谋，制定了到2030年必须完满的要津行径地方，旨在扭转排放弧线，并将动力行业加入到使全球变暖限度在1.5℃ 的队列当中[2]。
这些将在2030 年完满的地方如下：
● 全球可再天真力装机容量增多三倍：达到11,000吉瓦
● 动力成果提高速率加速一倍：至每年4%
● 提高末端用户的电气化进度：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满这些地方，咱们必须找到处理决议，以便在电力全链条（发电、输电、储电和用电）的各个圭臬完满更智能、更高效的动力护士。而功率半导体期间则是这一链条各圭臬的中枢所在。
图3 可再天真力老本逐渐着落电气化
在低碳化方面，鼓动当年占主导地位的化石燃料范围电气化，是减少二氧化碳排放的要津。近几十年来，电力在全球最终动力消费中的占比稳步上涨，现已达到20%。异日几年，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，可再天真力发电约占全球电力坐褥的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]。连年来，低碳化的努力也曾初显成效——在当年15 年，可再天真力已从最上流的动力变为最经济的采用[3]。
图4 Si、SiC和GaN的输出功率与开关频率2 CoolGaNTM期间：以能效为中枢
在欺诈可再天真力进行清洁发电的同期，培植能效不异是完满低碳化地方的要津。这不仅需要狡计出耗电量尽可能低的智能高效系统，还需要最大规定地减少这些系统中每一个功率转机圭臬的损耗。其中，后一个挑战是本文商议的重心。在当年几十年中，硅（Si）基功率半导体班师处理了这一穷困。可是，连年来功率半导体期间的卓越，催生了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带材料（WBG）期间，它们为多种应用提供了私有而又显贵的成果培植和功率密度上风。
图4 展示了硅、SiC 和GaN 这三种功率半导体期间的共存磋磨。尽管硅基期间仍是繁多应用的主流采用，但SiC 期间在需要使用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理决议。GaN期间在40V-750V的低压范围内，与硅基期间竞争热烈，十分是在高开关频率和较低的功率下，上风更为显着。再回到电气化的话题，尤其是建筑、工业和交通范围对电力的需求。在STEPS 情状中，到2050 年，建筑行业仍然是用电量最大的范围，原因是对家用电器、制冷与供暖，以及开水的需求执续增长；工业范围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%把握，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运回身分。
那么，该何如完满具有性价比的发电链成果培植呢？
人所共知，星巴克在运营中留神成果培植，发奋搁置坐褥经由中每一秒不消要的浪费[4]。不异，期间处理决议也应该专注于在狡计中培植每一个百分点的成果。宽禁带半导体器件（十分是GaN）在这一范围将前景繁花。现在，GaN 期间的一个典型应用是，培植智高手机和札记本电脑的充电器成果和功率密度，东说念主们多数以为“GaN 充电器”比非GaN 充电器更新、更小、功率更高。可是，这仅仅GaN 市集后劲的冰山一角。说明市集考虑公司Yole Development 的2023 年GaN 敷陈，2023 年至2029 年间，GaN 期间的累计潜在市集范围达到60 亿好意思元，包括干事器、太阳能、电动汽车车载充电器和电机运转安装等多个范围也正在加速向这项革命期间转型[5]。
图5 物化2028年的GaN市集范围预测在GaN市集，英飞凌凭借丰富的分立式和集成式处理决议，以及匹配的限度器和运转器居品组合，获得了显贵默契。英飞凌的CoolGaNTM居品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相助，以致领先修复全球首项300 毫米GaN 功率半导体期间。
诚然高压GaN 开关（频繁在600 V 至900 V 之间）世俗应用于PSU 电源和高压电机运转安装等AC-DC范围，但英飞凌最新推出的中压（MV） CoolGaNTM 居品组合正在繁多其他消费类和工业应用中崭露头角。这些居品的电压范围为40 V 至200 V，基于肖特基栅极期间，与交流电压等第的最好硅基沟槽器件比拟，具备更优异的性能成见（FOM）。
CoolGaNTM 氮化镓功率开关器件的优异FOM 培植了多种应用的性能，并缩小了系统老本，其中包括孤苦DC-DC 稳压器、太阳能逆变器、D 类音频放大器、低压电机运转安装、干事器/ 电信IBC 和LiDAR。
60 V-200 V CoolGaNTM 晶体管居品继承3x3 和3x5PQFN（TSON）封装，使用高性能且经济高效的引线框期间，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，所有三个端子（栅极、漏极和源极）齐位于芯片的归拢侧，并通过交错式拓扑结构引出。这种狡计最大规定地缩小了封装的寄班师应（电阻和电感），并通过优化的热联络旅途，平直冷却CoolGaNTM电流畅说念。
这三款40 V CoolGaNTM 器件是GaN 在硅基期间的基础上作念出的进一步改换，是一种双向开关（BDS），在导通时扶助双向电流流动，在关断时提供双向电流电压阻断。再次收货于GaN 期间的水平结构，这些器件分享一个大家源极区域，并配备两个漏极，在尺寸和老本上优于背对背硅基开关器件！
图6 CoolGaNTM BDS与背对背硅基MOSFET比拟更纯粹空间3 赶走语
跟着动力阔绰的执续增长，以及对可执续发展的需求，咱们需要打造出好的狡计、器件和系统，以最大规定地减少动力浪费。
正如文中所述，尽管2030 老大向绿色异日的地方是不错完满的，但这条件在电力链中每一个圭臬齐高度热心动力成果的培植。对此，GaN 期间展现了在构建高效电力电子系统方面的高大潜能，英飞凌的CoolGaNTM等革命居品不错在不增多物料清单（BOM）老本的前提下，减少再行狡计的责任量。
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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