增加变压器或燃气轮机并不能解决美国电网和数据中心扩张的供应链问题。真正的瓶颈在于功率电子产业链，特别是碳化硅、氮化镓、镓和部分稀土等关键材料。这些材料的上游环节高度集中，并受到中国的控制。电网现代化和AI数据中心的供电需求应被视为同一套供应链风险，需要通过提升国内外产能、缩短矿业审批、扩大CHIPS法案支持范围、建立战略储备和统一的经济安全评估体系来共同治理，以增强美国的能源与产业安全。
不只是变压器的问题
即便我们能神奇地获得无限的变压器、燃气轮机并简化所有审批流程，美国的电网供应链问题依然无法解决。这些只是表面问题，真正的挑战深藏于整个功率电子供应链中。
美国能源部（DOE）的报告显示，即使是大型电力变压器这一个环节，其供应链也依赖大量其他输入，这些输入与其他功率电子设备共享。高压直流（HVDC）输电系统等关键技术在美国国内缺乏足够的制造能力，甚至没有足够的国内需求来吸引新的产能进入。
经济安全界花了数年时间研究用于计算的半导体供应链。现在是时候以同样的严肃态度对待功率电子了。
区分“用钱能买到”和“用钱也买不到”的资源
一个常见的误解是，所有“关键矿产”都同样难以获取。但事实并非如此，我们需要区分两种情况：
市场驱动型资源：像铜、锂甚至大多数稀土，只要价格合适，市场总能找到供应。强大的经济激励可以促使大宗商品贸易商克服地缘政治障碍，将物资运往美国。这解释了为什么在过去的危机中，许多金属价格飙升后很快回落。我们只是没有去开采或提炼，而不是不能。
地缘政治控制型资源：这类资源的供应被少数国家（主要是中国）牢牢控制，金钱也无法在短期内解决问题。镓（Gallium）和一些用于功率电子的特定稀土就属于这一类。在与中国的冲突中，这些供应链的中断将无法用金钱快速修复。
我们需要超越关于一般性瓶颈的讨论，转向区分镓和铜这样的具体问题。
什么是功率电子？
功率电子是用于转换、控制和调节电能的半导体设备，它们正在重塑电网的架构。其核心是宽禁带（WBG）半导体，主要是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。它们比传统硅材料电压处理能力更强、热性能更好、开关速度更快。
功率电子在电网中的主要应用包括：
- 高压直流（HVDC）输电：利用功率电子设备在长距离输电时减少损耗，是连接偏远可再生能源发电地与城市负荷中心的关键技术。
- 固态电网保护：使用SiC或GaN的固态断路器比传统机械断路器响应速度快几个数量级，能有效防止电网连锁故障。
- 电网稳定与控制：通过逆变器等设备，为高度依赖可再生能源的电网提供必要的电压和频率支持，弥补传统发电机组惯性下降的问题。
- 固态变压器（SST）：用功率电子取代传统的铜线和钢芯，体积可缩小14倍，重量减轻40倍。SST不仅是变压器，还能实现电压调节、双向潮流控制等主动功能。
然而，SSTs虽然解决了传统变压器依赖取向电工钢（GOES）（中国产量占56%）的问题，却带来了对镓和先进磁体的新依赖，而中国在这些领域同样领先。
电网与AI数据中心的供应链正在融合
传统上，HVDC被视为长距离输电技术。但现在，AI数据中心正成为功率电子最大的需求增长点。
为了支持每机架功率从几十千瓦飙升至上百甚至一兆瓦的AI计算，行业正在转向800V直流供电架构。这一转变由NVIDIA等公司引领，旨在提高效率、降低成本。
- 相同的底层技术：数据中心内部几十米的800V直流输电与电网几百公里的HVDC输电，都依赖于相同的底层功率电子技术，如转换器、整流器和开关设备。
- 共同的供应链风险：两者都在大量消耗SiC和GaN器件。这意味着，对电网现代化的威胁，同样也是对AI基础设施的威胁。
电网供应链和AI供应链正在趋同，但政策制定者尚未跟上。我们必须像重视GPU一样，从供应链风险的角度严肃对待功率电子。
中国的战略控制与已知的风险
现代功率电子依赖SiC或GaN，而这两种材料的供应链都存在严重风险。
镓（Gallium）：GaN器件的基础材料。镓几乎完全是生产铝的副产品。随着美国铝产量的崩溃，其镓产量也随之消失。目前，中国控制着全球约99%的低纯度镓产量，并已在2024年底禁止对美出口，导致国际价格飙升超过150%。这是一个已经兑现的威胁。
碳化硅（Silicon Carbide）：SiC在化学上与工业金刚石相似。中国在SiC粉末生产中占主导地位，份额超过60%。虽然美国在更专业的SiC衬底制造领域（如Wolfspeed公司）仍有优势，但这只是整个链条中的一环。
稀土元素：用于功率电子封装的永磁体需要钕、镨、镝等稀土。中国控制着全球80%以上的稀土精炼产能，并早已开始限制出口。
这些依赖并非偶然形成。中国通过对光伏和功率半导体行业的积极补贴，以及大规模建设特高压输电线路创造国内需求，系统性地建立起了从上游原材料到下游系统集成的完整生态系统。
如何应对挑战
解决这一复杂的供应链问题需要一个多管齐下的综合策略。单纯的补贴或国家化并非最佳方案，政府应扮演好市场支持者的角色。
将功率电子提升为安全优先事项：认识到其在经济和国防中的关键作用，并鼓励行业竞争以降低集中度。
扩大CHIPS法案的范围：将更多关注和激励措施分配给功率半导体和宽禁带材料，而非仅仅是尖端逻辑芯片。
加速盟国镓供应链多元化：通过“矿产安全伙伴关系”等框架，支持澳大利亚、加拿大和欧洲等盟友扩大从铝生产中回收镓的能力。
考虑战略储备：为镓、关键稀土和SiC衬底等材料建立国家战略储备，以应对短期供应中断。
缩短矿业审批周期：简化美国国内开采关键矿产的审批流程，使其更具经济可行性。
建立统一的分析与评估体系：打破政府部门间的壁垒，整合能源、商业和国家安全部门的专业知识，对供应链风险进行全面评估。
促进健康的半导体市场：开发金融工具和长期采购合同，以平抑半导体行业的“超级周期”波动，为稳定投资创造条件。
投资整个供应链：通过投资更广泛的能源技术（如海上风电、储能）来创造对美国本土功率电子产品的稳定需求。
关于芯片的公共讨论已经从“我们需要更多工厂”演变为对关键节点、杠杆和战略竞争的复杂理解。电网设备和功率电子也需要经历同样的转变。真正的问题不是我们能否获得变压器，而是美国能否确保未来电网所需技术的供应链安全。