本文作者为 英飞凌GaN Systems产品线高级副总裁兼总经理Johannes Schoiswohl
作为电力和物联网系统的主要供应商，英飞凌正在推动脱碳和数字化经济的发展。 GaN（GaN）对于实现这些目标至关重要，并带来了诸多好处，包括更高的能源效率和功率密度。
凭借在 GaN 技术领域 20 多年的积累以及 2023 年 10 月收购 GaN Systems 的补充，英飞凌正在显着加速 GaN 路线图。 客户可以受益于扩大的 GaN 产品组合，电压范围从 100 V 至 700 V，并且具有丰富的创新，例如具有集成驱动器 IC 的电源解决方案和各类封装选择。 此外，英飞凌提供完整的系统级解决方案，可以减少产品上市时间。
目前，我们正处于能源转型中，为了减缓全球变暖，我们需要重新思考如何我们产生、传输、储存和消耗能量的方式。能源、经济、环境之间的关系始终是复杂且动态的。许多可持续发展挑战来自失调能源需求和效率之间的关系。世界气象组织表示，2023 年是四百万年来二氧化碳浓度最高的一年，也是全球有温度记录以来最热的一年，野火及风暴等自然灾害频率最广的一年。
科技可以充分发挥作用，2024年有两大重要趋势，影响能源的转型。一个是交通运输、工商业和住宅等都在进行电气化更新，另外则是人工智能和数字经济的发展。这两大趋势将使世界能源供应提高31%至71%之间，目前电力相关活动约占全球二氧化碳排放量的 40%。
宽禁带半导体，尤其是 GaN 功率半导体将在包括运输、数据中心、消费、商业以及太阳能等市场中发挥重要作用。
电气化的重要性
电气化正在成为减少二氧化碳排放的关键因素，包括汽车、公交车、卡车、热泵甚至钢厂的电炉都进行了电气化的革新。近几十年来，电力在世界最终能源消耗总量中所占的份额稳步上升，现在为 20%，而根据IEA的预测，到 2050 年净零排放中时，电力约占53%的使用率53%。目前，30%的电力来自可再生能源，2050年预计将增长至89%。
数字经济与人工智能
在大模型火热之前，数字经济就已经呈现爆发式增长，2012至2022 10年间数据量增长了15倍。数据中心和冷却系统都需要大量的能源来支持。
数据驱动型经济则进一步重新定义了人工智能，它产生的数据需求使过去数字化转型的技术、基础设施和能源压力相形见绌。 大多数最著名的人工智能模型都运行在图形处理单元（GPU）芯片，其需要的功耗是传统CPU的10到15倍。 虽然很难为了计算人工智能模型的训练和推理使用的确切能量影响，但普遍认为生成式人工智能的碳足迹是搜索引擎请求的四倍，这远高于加密货币或AR/VR等大趋势对能源的影响。
过去，全球能源需求的增加意味着产量的增加，但大多数都是以化石能源为主要燃料，这导致二氧化碳排放增加。但可以通过更可持续的方法，尤其是技术创新来满足能源需求。通过提高能源效率，通过充分利用可再生能源等新技术提高效率。
电动汽车
进入 2024 年，全球移动出行迎来了一个显着的转变，汽车制造商正在削减电动汽车成本，利用宽禁带半导体实现高效、强大和长期的成本效益。
到 2024 年，随着政府和消费者努力缓解对电动汽车的需求，电动汽车市场销量预计将增长21%。到 2030 年，预计电动汽车超过全球汽车销量的三分之二。
英飞凌预计 2024 年，SiC将在电动汽车电力电子创新转型中发挥更关键的作用，与此同时，GaN也会变得流行。另外，大部分车企快充平台会选择800V系统，但是由于成本效益，400V平台也会继续流行。GaN非常适合该系统，并且也可以利用更便宜的多级拓扑替代SiC。
另外，人们越来越关注汽车的“全生命周期”环境影响，包括驾驶及制造过程中的所有排放。宽禁带技术，可以实现更高的效率和更低的转换损耗、更高的功率密度、更小的尺寸和更轻的重量，从而有助于减少碳排放。
数据中心
数字世界正在经历一场巨大的变革，其动力来自对实时数据洞察的需求和人工智能的快速发展——深刻影响当今数据中心面临的挑战，并带来可持续性挑战。麦肯锡预计仅在美国市场，数据中心需求将从2022年的17GW，增长到2030年的35GW。
根据IEA预测，2022 年，数据中心消耗的电力约占世界总电力的 2%。目前数据中心有高达 40% 的能源被用于冷却，然而液冷和驱动优化等只是提升效率和功率密度的部分问题，更多需求是通过GaN实现。其可以提供超过96%的AC/DC转换效率。
太阳能
技术突破可以实现太阳能和储能技术的突破，如今可再生能源发电约占全球电力行业的 30%。
自欧盟（EU）推出可再生能源指令（2009/28/EC）以来，可再生能源在欧盟能源消费中的份额已从2010年的12.5%增加到2022年的23%。欧盟已认识到需要采取更迅速的行动，预计到 2030 年在欧盟层面至少有42.5%的电力供应来自可再生能源。2050年成为第一个净零排放大陆；到 2030 年，温室气体净排放量比 1990 年的水平至少减少 55%。
GaN是下一代太阳能设施的重要组成部分，可带来显着的经济效益。GaN基微逆变器、优化器和功率调节器将更有效地转换太阳能至交流电。
英飞凌预计太阳能和储能价格将进一步下降，可以日益成为实用的主流能源解决方案。逆变器、优化器等设备将会变得更小更轻，同时输出功率也更高。
另外，为了减轻太阳能的可变性和不可预测性，可再生能源将会以分布式、集中式等各种灵活组合接入电网。
消费和商业市场
从2024年底开始，在欧盟销售的任何手机、平板电脑或相机都必须配备 USB Type-C充电端口。
另外在高端音频设备中使用GaN，制造商能够实现更高水平的性能和音质。
英飞凌预计 2024 年，GaN 和 USB-C 的普及将简化生活并提高可持续性。手机采用USB-C充电是向通用 USB-C 充电迈出的一大步，消除了对多根电缆的需求和兼容性问题。 智能手机、平板电脑、笔记本电脑和游戏设备均可使用单个 GaN 充电器充电，从而简化充电体验。 我们相信，这一转变将迎来一个更加环保、更加便捷的时代时代，适配器也将细分为三大主要类型，包括单端口或多端口充电器65 W 至 240 W，65 W – 330 W笔记本电脑适配器，以及为游戏机或其他高功率设备提供的375 W产品。
另外，在音频行业，D类音频设计将出现拐点。 汽车音响将受益于更小、更轻、更高效的系统，非常适合电动车时代。另外，专业的音频系统中也将出现支持数千瓦的GaN产品。
结论
功率半导体对于缓解不断增长的能源需求与净零经济之间的矛盾至关重要。
英飞凌的GaN宽禁带解决方案可以更有效地产生和利用能源。特别是在交通、数据中心、太阳能以及消费者等关键市场中。无论是引发电动汽车的可持续革命还是满足新兴能源的需求为了满足生成式 AI 的需求，GaN 的适应性和效率标志着向更具弹性、可持续和更高效的方向的关键转变。