Whoscored中文官网| 编译自 Power Electronics News, 2022-10
危机
在2021年，我们80%以上的能源是基于煤炭燃料发电厂，我们80%以上的能源需求是煤炭、天然气或石油，涉及到消费者、商业和工业市场，包括交通、IT和通信、供暖、制冷和烹饪。在过去的150年里，人类向大气层排放的二氧化碳（CO2）从几乎为零增加到每年350亿吨[1]。这种气体吸收了从地球上辐射的红外能量，并将其中的一半重新发射回去，从而促成了温室效应。
随着二氧化碳的排放成倍增长，地球的温度也在升高。由于这些增长密切相关，现在人们普遍认为，温度上升是二氧化碳和其他温室气体排放增加的明显结果。
图1和图2：2020年全球排放的二氧化碳超过350亿吨，与相对温度上升超过0.6˚F相一致
在36.3千兆吨基线（2021年）的基础上，如果改善气候政策没有任何的变化，到2050年，二氧化碳总排放量将上升到超过46.5千兆吨/年 [3]，对全球温度的影响将增加4.8˚C。这些水平的温度变化将导致整个地球的灾难性破坏，影响天气模式，造成前所未有的热浪、严重的干旱和重大的洪水，将极大地影响所有的生物栖息地、生态系统和植被。
目前的挑战
今天的能源主要来自煤炭和核能，只有2%到3%的世界能源来自风能和太阳能。然而，石油和天然气的储量与产量之比估计只剩下50年，煤炭只剩下250年。[4]
在2020年，能源需求严重依赖煤炭，尤其是在运输方面，需要汽油、柴油和航空燃料；而在建筑方面，主要是用燃气来加热水和空气。
随着煤炭资源的有限供应，以及它们对我们星球的破坏性影响，我们现在看到政治压力、倡议、法规和政策，以推动向更绿色、可持续的未来过渡。”零排放” 理念是实现这一目标的第一个重要步骤。
图3：按来源划分的最终使用能源。电能仅占建筑用能的45%，而电动汽车在交通领域仅占3%的市场份额 [5]。
目标：零排放
超过70个国家，包括美国、中国和欧盟的国家，已经设定了零排放的目标[6]。像微软和百事公司这样的公司现在已经承诺实现碳 "零排放"，这是通过中和排放到大气中的碳量和从大气中去除的碳量来实现的。超过319家企业承诺了气候承诺，提前10年，即到2040年达到《巴黎协定》的目标 [7]。苹果公司更加积极，承诺到2030年实现其供应链和产品的100%碳中和。通过为其整个供应链使用100%的可再生能源，并影响其供应商减少或转换为可再生能源，苹果的碳排放量每年减少超过14兆吨，相当于300万辆汽车的排放量。此外，苹果公司投资，对600多万平方英尺新的和现有的建筑进行节能升级，减少了20%的电力成本，为公司节省了2700万美元。
任务：使我们的世界电气化
我们需要将"煤炭电力" 的能源占比从80/20转变为20/80。
图4：在过去10年中，太阳能和风能的价格已经大幅降低[8]。
在过去的10年里，用太阳能和风能产生电能的成本已经大大降低。各种资料显示，在我们星球的主要地区，风能和太阳能现在或很快就会比煤炭发电更便宜，甚至运营成本也大大降低了。如果美国将其所有的煤电厂退役，并以太阳能发电场取而代之，每年将减少56亿美元的开支，并减少3.32亿吨的二氧化碳排放，使美国的来自煤炭的排放量减少三分之一。在德国，没有一个现有的煤厂的运营成本比新的太阳能光伏或陆上风力发电能力低。
这种向可再生能源发电的过渡将是实现零排放的关键。然而，我们也必须考虑能源需求以及如何减少使用该能源的应用所产生的二氧化碳。交通运输是绿色转型的一个很好的例子，内燃机现在正在被淘汰，取而代之的是混合动力和电动汽车。继特斯拉之后，通用汽车和大众汽车等几家公司已经宣布到2030年全面转换为只销售电动汽车[9]。同时，在加州，天然气管道不再允许安装在新家里，加速了电饭煲、空间加热器和热泵的采用，这是完全依靠电力运行的高效暖通空调系统。
推动者: 氮化镓
氮化镓是下一代半导体，在电能转换系统中用氮化镓集成电路取代传统的硅芯片，为实现碳零排放目标提供了重要机会。Navitas半导体公司的GaNFast功率IC能够实现高达40%节能的器件，并减少或消除外部元件和散热片，与旧的硅基解决方案相比，尺寸和重量减少了50%。
更重要的是，与硅的同类产品相比，制造GaNFast功率IC需要更少的能源、水和其他资源。此外，由于氮化镓是一种宽禁带半导体材料，所以氮化镓器件明显尺寸更小，性能更好。综合这些因素，在组件层面上，二氧化碳排放量比同等硅器件产品低10倍。
图5：GaNFast功率IC与传统的硅FET相比，可将二氧化碳减少5倍。在200毫米晶圆上加工的新一代产品，预计可减少10倍的二氧化碳。
在系统层面上，GaNFast集成电路的高性能优势以及将电源、控制、保护和传感集成到单个器件中，可以实现更高的效率，不仅可以减少能源消耗，还可以降低工作温度，最大限度地减少或消除对散热器和大型机箱的需求。氮化镓的高频率能力使终端应用 "去物质化"，即要求更少、更小的无源元件（如磁铁、过滤器、电容器）和更少、更小或取消的机械元件（如PCB、外壳和散热器）。这些因素反过来又减少了对石油/精炼的需求，降低了运输成本，进一步减少了二氧化碳排放。在生命周期分析中，将所有这些因素加在一起，每一颗GaNFast功率集成电路的出货，比传统的硅集成电路减少4公斤二氧化碳排放[10]。
随着越来越多的公司致力于零排放计划，从硅过渡到GaNFast解决方案可以支持他们减少自己的总二氧化碳排放量，以及创造更有效、更小的解决方案和改善整体成本结构。
图6：到2025年，每个移动充电器从硅转换为GaN解决方案将节省超过90亿千瓦时和减少超过60亿公斤的二氧化碳排放，相当于130万辆内燃机客车或近140亿桶石油[9]。
结论
氮化镓功率集成电路使电力更高效、更可靠、成本更低，所有这些都有助于加速世界从燃煤电厂向基于太阳能和风能的能源转变，并使能源应用从以气体为动力的交通、建筑和工业工厂向基于电力的清洁能源演变。
在2022年5月，Navitas半导体公司成为世界上第一家获得碳中和公司地位的半导体公司，这是由碳中和，以及气候融资方面的权威专家Natural Capital Partners共同认定的。通过广泛的、经第三方验证的分析，Navitas半导体公司表明，生产氮化镓器件比硅器件的碳排放量减少70%，并使客户在制造和使用阶段的碳排放量减少30%。
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