传统硅基半导体在满足下一代计算和能源转换平台对性能、密度及效率的需求方面正面临挑战。无论是人工智能（AI）优化的数据中心，还是电动汽车和工业机器人，这些应用正不断向更高频迁移，技术难度也随之提升——新兴应用场景亟需更快的开关速度、更低的能量损耗，并且没有太多空间留给庞大的散热器和冷却系统。
在此背景下，宽禁带半导体材料——特别是氮化镓（GaN）——正脱颖而出：凭借卓越的固有性能优势，其突破硅基与碳化硅（SiC）材料的物理局限。得益于更高的开关频率、更低的导通与开关损耗，以及更优的热管理能力，GaN技术能够实现更加紧凑的电源设计，为高功率密度数据中心机柜中的AI和高性能计算（HPC）工作负载提供支持；并且，其还能减轻电动汽车（EV）车载充电器和DC/DC转换器的重量，从而延长续航里程。此外，GaN还赋能工厂自动化中更高效的电机驱动系统，并助力不间断电源和光伏微逆变器等可再生能源系统，打造高效、紧凑的解决方案。
瑞萨及其GaN技术发展征程
瑞萨始终关注客户的需求，稳步拓展GaN产品组合。其中关键的一步是在2024年收购GaN领域的先驱企业Transphorm。Transphorm的技术源于加利福尼亚大学圣巴巴拉分校及其享誉业界的固态照明与能源电子中心（SSLEEC）。
依托长达17年的知识产权积累与产品成熟经验，Transphorm的SuperGaN®技术平台采用常闭型d-mode GaN FET，将高压耗尽型（d-mode）GaN HEMT与低压硅基MOSFET相结合。该平台融合了GaN的高压开关性能优势，以及硅基驱动输入接口的易用性与可靠性，有助于在高性能、高可靠性应用场景中实现更便捷的集成与部署。
此次收购涵盖1000多项直接持有和获得授权的专利，使瑞萨获得Transphorm的GaN知识产权、产品，及生产制造业务，包括日本和中国台湾地区的产能，以及加利福尼亚州的研发业务。今年4月，瑞萨宣布与明尼苏达州的Polar Semiconductor达成协议，将从2027年开始生产200mm硅基氮化镓（GaN-on-Silicon）器件，从而拓展美国关键制造资源的获取渠道。
通过将GaN技术与瑞萨电源控制器和驱动器（包括集成式IC+GaN产品）以及配备“成功产品组合”参考设计的广泛的微控制器产品组合相结合，未来几年，公司将推出一系列交钥匙GaN解决方案，涵盖从快速充电器到兆瓦级AI服务器等多种产品。
GaN技术影响最显著的领域
在GaN的应用方面，数据中心是当前受益最为显著的领域。为满足AI和HPC工作负载的需求，服务器机柜的功耗已从过去的数十千瓦（kW）攀升至如今的单柜600千瓦；相应的AC-DC电源转换系统功率甚至达到1兆瓦（MW）。除功率密度外，采用AI增强技术的数据中心还受益于维也纳转换器等双向功率转换拓扑结构，以及更高的开关频率，以应对日益增大的系统规模。超大规模数据中心的面积已从10年前的约1万平方英尺激增至如今的100多万平方英尺；与此同时，运营商还希望2030年底将每个数据中心的容量提升至原来的三倍¹。
GaN凭借远低于硅和碳化硅（SiC）的开关损耗、卓越的能效表现，以及支持更高频率的运行能力，推动高密度DC-DC转换器和无桥图腾柱功率因数校正（Totem-Pole PFC）等先进拓扑结构的发展，实现高达99%的效率。今年7月，瑞萨推出了三款全新650V第四代增强型（Gen IV Plus）GaN FET——这也是自收购Transphorm以来的首次重大产品发布。新产品芯片面积比前代缩小14%，品质因数提高20%。
GaN进军电动汽车与工业机器人领域
GaN同样适用于车载电动汽车充电器和DC-DC转换器。得益于GaN横向架构所实现的独特双向器件（BDS），GaN简化了需要双向功率流的AC-DC转换拓扑结构，减少了元件数量，提高了系统效率，同时减小了充电子系统的尺寸和重量。瑞萨已开始向一级供应商和汽车OEM推广GaN技术，预计将在2030年的车型中实现应用。尽管目前SiC仍主导着主驱逆变器市场，但GaN有望率先在对功率密度要求极高的充电系统和辅助电源系统中取得突破，并逐步向主驱系统渗透——多家具备前瞻视野的电动汽车ODM/OEM已对此展开研究。
在工业机器人与自动化设备领域，高效率、高可靠性和紧凑设计至关重要。GaN通过提升驱动器与电机系统的整体能效，助力实现更小巧、高效的伺服驱动与交流驱动系统。这使得机器人手臂更轻便、更灵活，并降低系统成本。
GaN技术面临的挑战与机遇
每一代新产品的推出都更加清晰地展现出GaN技术的巨大潜力。当前，产品正从150mm晶圆向200mm晶圆迁移；而长期路线图显示，未来还将转向300mm晶圆推进，以实现与硅基产品可比的经济性。在这一进程中，瑞萨的差异化优势体现在成熟的d-mode高压SuperGaN®技术、将GaN与控制器和驱动器集成的能力，以及世界级的系统级设计支持。
为满足汽车和工业自动化等高可靠性市场的严格技术规范，瑞萨的GaN产品组合不仅超越当前JEDEC JESD47半导体资质认证标准，更在高温工作寿命（HTOL）等开关条件下展现出卓越的长期可靠性。此外，我们最新的第四代增强型（Gen IV Plus）平台计划于2027年年中之前达到车规认证标准（AEC Q101）。对于GaN而言，先进的封装技术是降低寄生参数、优化热性能的另一关键考量因素，瑞萨的GaN产品拥有业内最广泛的封装组合之一，涵盖新兴的顶部散热封装（TOLT），以及集成式驱动器-FET解决方案。
上述每一项设计与制造挑战，是实现更高效规模化发展、树立可靠性标杆、推动封装标准化，并助力客户从分立器件向系统级解决方案过渡的契机。
展望未来：瑞萨GaN技术的发展蓝图
推动GaN深入AI数据中心、电动汽车动力总成、工业机器人伺服系统，以及可再生能源电力转换系统的宏观趋势正在加速演进。除成熟的高压GaN（650V+）产品外，我们还在积极研发低压GaN（40-200V）产品，以将该技术的优势扩展至电源次级侧转换应用，如AI HVDC系统（从48V降至12V或1V）、PC客户端计算和电池管理、工业动力工具，以及电动出行等领域。这一战略将使GaN成为我们宽禁带半导体产品组合的核心，并依托瑞萨在微控制器、SoC、模拟和电源管理方面的广泛系统专业知识，塑造未来十年的功率电子发展格局。在任何对功率密度、能效和可靠性有严苛要求的应用场景中，GaN均能胜任。
瑞萨通过收购Transphorm公司并持续推动GaN技术创新，正在不断扩大产业规模、树立市场声誉，并构建生态系统支持，以期GaN成为主流功率半导体技术。新产品的制造、封装与认证，以及向更大直径晶圆的转型固然充满挑战，但其重塑功率电子产业的潜力也同样巨大。
展望未来，瑞萨不断拓展的GaN产品组合，将赋能工程师设计出更小巧、更快速、更高效且更可靠的系统，助力下一代功率电子技术构建一个更安全、更智能、更可持续的未来。
参考文献
[1]O.Johnson. AWS、Meta、微软、英伟达与甲骨文：本月宣布五项数据中心交易，总价值达6760亿美元[J]。 CRN, (2025年1月)
新闻及更多资源
新闻
2025年7月1日
|
新闻
2024年6月20日
|
新闻
2024年1月11日
|