负责任地创新以应对当今的能源挑战

我们这一代面临的最大挑战是对能源的需求不断增长。在许多社会变革的推动下，全球人均用电量在过去 30 年中增长了 50%。我们家中的电器越来越多，所以家里的电源插座也越来越多。我们见证了消费技术的蓬勃发展：手机、电脑、笔记本电脑和手表都开始发挥作用。我们看到了以前从未见过的各种尺寸的电机——从玩具到车辆的支撑系统，再到躺椅，再到园艺工具，再到救生带。当然，我们现在已经进入了电动汽车(EV) 的时代，电动飞机也在开发中。预计这种数字化和电气化趋势将继续并加速。

今天的数据中心使用全球约 1% 的电能。预计到 2030 年，处理、大数据分析、加密货币挖掘、流数据、人工智能等将消耗全球 20% 以上的电力需求，其中 7% 的电力将仅用于为数据中心供电。纵观全局，我们看到传统燃料即将耗尽——最重要的是，全球变暖。在 2016 年的《巴黎协定》中，各国承诺减少排放，许多国家现已正式承诺到 2050 年实现气候中和或净零排放。最近在格拉斯哥举行的 COP26 峰会上就加强这些目标达成了进一步承诺。

功率半导体制造商已承担责任，因为我们的产品是碳中和的推动者。作为工程师，我们必须提高电源转换效率，这需要标准芯片以外的解决方案。

图 1显示了硅 FET 和由两种宽带隙 (WBG) 材料制成的器件的理论物理极限：碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。硅显然得益于多年的发展，但也有其局限性。对于相对较新的技术，SiC 和 GaN 的性能已经超越了传统硅的极限，并且只能改进，因此 WBG 在实现未来几十年的挑战中发挥重要作用的大门是敞开的。

（来源：Yole Développement，“GaN Power 2021：外延、器件、应用和技术趋势”，2021 年）

图 2 显示了基于 Yole Développement 的 2021 年报告的 GaN 预测增长。市场处于早期阶段，但在未来几年将呈指数级增长，到 2026 年复合年增长率将超过 70%。这是一个很好的指标，表明将需要 WBG 来解决我们的整体电力挑战：在新应用中使用电力以最负责任的方式。

要评估采用 GaN 作为一项新技术，我们必须考虑四个关键点：

性能：WBG 产品的快速开发和采用已经实现了几年前无法想象的性能水平——事实上，如果没有 WBG 设备，一些新的项目要求是不可能实现的。然而，仍有大量研究和创新工作要做，尤其是对于 GaN，因为虽然目前的性能水平已经很有吸引力，但还没有接近其理论性能极限。

成本：硅解决方案具有易于理解和接受的成本/性能水平。相比之下，今天，价格较高的 WBG 设备主要针对性能是关键因素的高级应用。然而，GaN 成本将会降低，从而允许 WBG 技术的普及，正如我稍后将展示的那样。

可用性：这是半导体领域的一个关键因素——只有在设备可用且供应安全的情况下，新技术的实施才能变得广泛。

可靠性：这包括所有其他考虑因素——它适用于产品性能、商业可持续性和可用性保证。所有这些元素都必须可靠。

多种技术选择

我们已经研究了两种技术——碳化硅和氮化镓——但是有大量的技术可供选择，并且有适合所有技术的空间。每种技术都有自己的最佳点，随着时间的推移会发生变化，根据性能、成本和可用性之间的权衡来适应不同的应用程序需求。特定应用领域的技术之间的界限将变得模糊，并将随着技术沿学习曲线的进步而移动。当然，由于数十年的进化改进，目前硅已经广泛普及。考虑到正在进行的所有研发工作和投资，GaN 将继续进行。

功率 GaN 已经在许多低功率应用中证明了其价值，有助于实现更紧凑和更高效率的解决方案。Nexperia 正在将 GaN 推向更高的功率水平，提供从 2 kW 一直到 250 kW 的解决方案，并与客户合作证明在 650 V 时，这些功率水平是可以实现的。这就是可靠性至关重要的地方，因为这些功率水平适合 EV 应用，因此零件必须超出标准质量要求并符合汽车标准。

发展速度非常快。以 GaN 性能为例，在不到两年的时间里，Nexperia 推出了三代 650-V GaN FET。器件具有经过验证的高功率转换效率、出色的开关性能和高功率密度。Nexperia 将这种开关性能与其成熟的铜夹封装技术相结合，以进一步降低 R DS( on)。

关于可靠性，Nexperia 使用经过验证的稳健级联架构。质量测试已经超过了 AEC-Q101 的要求——高出 4 倍——并且其测试失败程序的测试仍在进行中。

重申一下，作为一个行业，我们正处于功率 GaN 学习周期的开始——我们可以期待显着且持续的改进。目标应用包括车载充电器、DC/DC 转换器和牵引逆变器的汽车。在工业领域，光伏逆变器受益于 GaN，对于数据中心、5G 和工业 4.0 中的功率转换，在需要优质功率转换以及功率 GaN 具有强大价值主张的关键应用领域。最终，即使在被视为“标准”功率转换设计的情况下，GaN 也会激增。

可扩展性和成本

GaN-on-silicon 主要使用现有基础设施、现有工艺以及经过验证和可用的技术制造。Nexperia 使用专有程序处理标准硅基板以结合 GaN。它可以平稳地转移到 8 英寸，最终转移到 12 英寸衬底，并且已经在两个晶圆厂中进行了 GaN 生产。关于组装和测试，Nexperia 的新一代 650-V GaN FET 使用其铜夹封装。这是专为具有最佳性能的高功率应用而设计的，并借鉴了近二十年前推出的 Nexperia LFPAK 封装技术的经验，该技术现在每年的出货量超过 10 亿件。这使得 GaN 生产本质上具有成本效益并且易于扩大规模。有一条明确的路径可以支持大容量 WBG 设备的使用。

碳化硅等

Nexperia 正在开发其他相关技术以应对功率半导体市场。它已宣布其首款 SiC 产品，正在开发 IGBT 解决方案，并继续改进我们行业的主力产品 MOSFET。每个不同客户应用的最佳解决方案取决于平衡性能、成本和供应。我们面临的挑战是负责任地进行创新以满足世界能源需求，同时实现净零路线图。

审核编辑 黄昊宇