GaN：数据中心、人形机器人的最佳选择​

在摩纳哥举行的博多电力系统宽带隙论坛上，EPC创始人兼首席执行官Alex Lidow为氮化镓（GaN）的讨论定下了基调。他凭借在功率半导体领域五十年的经验，强调了氮化镓的显著优势。他与来自德州仪器、Navitas、英飞凌、东芝、大众和三菱的专家共同发言，指出氮化镓是低压、高频系统（从人工智能数据中心和人形机器人到自动驾驶汽车和激光雷达）的理想选择。尽管碳化硅（SiC）仍然是高压领域的首选，但Lidow强调，氮化镓作为一种经济高效的技术，已经在重塑负载点电源——以及更多领域。

Lidow指出GaN的关键成本优势，称EPC早在2014年就预测GaN将与硅MOSFET成本持平，并在2015年就实现了这一目标。他谈到了GaN的“芯片尺寸优势”：GaN器件的尺寸比同类型的硅MOSFET小约十倍。虽然这使得晶圆成本更高，但最终产品的整体成本却更低。这一特性使得GaN在近十年前就得以应用，尤其是在需要高性能的低电压领域。

Lidow指出，首批100V氮化镓器件于20年前问世，是因为当时客户需要的是速度更快、体积更小的解决方案。Lidow表示，这一策略至今仍然适用。他强调 48V 数据中心背板是增长最快的市场机遇之一。

在器件架构方面，Lidow 证实了低电压集成围绕增强型（e-mode）GaN 展开：功率开关现在倾向于单片 e-mode 设计，与更高电压的级联或直接驱动相比，简化了集成。

Lidow 回顾了 EPC 的封装历程，指出早期的芯片级器件具有超低电感、低电阻和优异的热性能——但它们的脆弱性和僵硬的端子最终限制了其应用。

这些问题通过改用 PQFN 封装得以解决。紧凑的内部布局降低了寄生效应，背面具有良好的散热路径，而且封装本身现在可以吸收热机械应力，而热机械应力是宽带隙器件唯一真正的损耗模式。

Lidow认为，稳固的热机械设计最终决定了宽禁带器件的可靠性。设计得当的氮化镓（GaN）凭借其强大的原子键，能够高效应对过载，而卓越的制造工艺则最大限度地减少了外部缺陷。他将这些特性与重要的技术发展联系起来，并指出氮化镓日益增长的社会影响力体现在其在激光雷达（LiDAR）、人工智能基础设施和机器人电机驱动等领域的应用。

Lidow 向所有人展示了一款数据中心解决方案，该方案是一款800 V 至 12 V、6 kW 的转换器，厚度仅为 8 毫米，效率高达 98%，这是通过兆赫兹速度的交错式八级 GaN 实现的。

采用电压共享拓扑结构更容易将多个电感器并联连接。串联连接更适用于高电压，而并联连接更适用于功率扩展。他建议人们重新考虑旧设计，以适应这种新的堆叠方式。

他强调了氮化镓技术的成熟度，指出第七代氮化镓器件每平方毫米可承受180万安培的电流，超过铜的承受能力，这需要对系统进行全新的思考。与会专家一致认为，随着人工智能推动电力系统向兆瓦级发展，氮化镓在低功率密度领域仍然无可匹敌。随着成本优势的逐渐显现和机架级效率提升的指日可待，Lidow认为氮化镓正处于加速发展、势不可挡的轨道上。

氮化镓功率级驱动下一代人形机器人

随着人工智能和自主系统不断突破技术极限，一种新型机器正在被研发出来：能够以栩栩如生的方式移动的人形机器人。氮化镓（GaN）为这些系统提供了所需的小型、高功率电源。

Lidow 在慕尼黑举行的 Bodo 大会上发表主题演讲，称氮化镓是机器人革命的关键组成部分。

多位分析师认为，未来几年人形机器人市场有望增长，这主要得益于对能够满足日益提高的集成度和效率要求的计算和电力电子技术的需求。随着社会老龄化和出生率下降，尤其是在发达国家，对自动化劳动力的需求变得日益迫切。

人形机器人正逐渐成为解决工业和服务业劳动力短缺的切实可行的方案。目前，制约因素在于成本，以及设计上的挑战，这些挑战不仅涉及硬件，还涉及软件，包括编程、适应性和从各种意外情况中学习的能力。克服这些挑战将使社会能够将机器人融入日常生活和工作中。

电机是所有机器人动力电子系统的核心。这些无刷直流 (BLDC) 电机为机器人的不同部位提供动力。一个典型的机器人拥有超过 40 个电机，每个电机驱动不同的部件，例如手指、膝盖等等。这些电机所需的能量取决于它们的功能。这些进步得益于高效、小型化且可靠的先进动力电子技术。而氮化镓 (GaN) 功率晶体管和集成电路 (IC) 正是在此发挥作用。

根据行业分析中引用的美国银行2025年报告，到2030年，人形机器人的年销量可能达到100万台，到2060年，全球将有30亿台机器人投入使用——几乎相当于地球上每三个人就拥有一台。这一爆炸性增长与高盛的预测相符，高盛预测到2035年，全球人形机器人市场规模将达到380亿美元，全球部署量可能达到300万至2700万台，尤其是在保护人类工人的危险作业中。

受人口老龄化、劳动力短缺和人工智能进步的推动，这些预测凸显了工业、服务和消费应用领域对多功能人形机器人平台日益增长的需求。氮化镓将有助于缩小系统尺寸、减少功率损耗，并在极端温度下更好地工作。氮化镓主要用于人形机器人，例如旋转执行器、灵巧机械手、线性执行器、智能感知、人工智能和控制系统、电池以及充电器。最新的氮化镓功率集成电路内置了场效应晶体管（FET）、驱动器和保护电路。这使得设计用于机械臂和机械手的即插即用执行器模块变得更加容易，而使用独立的MOSFET则难以实现这一点。

氮化镓在现代电机驱动架构中的优势

大多数人形机器人依赖于工作电压在 48-60 伏左右的无刷直流 (BLDC) 电机——这正是氮化镓 (GaN) 器件性能的理想工作电压范围。这些电机必须提供高扭矩和快速响应，同时最大限度地减轻重量和降低发热量。

传统的硅 MOSFET 虽然坚固耐用，但在这些电压下会因较高的开关损耗和体二极管反向恢复而受到限制。在基于 MOSFET 的驱动电路中，互补开关之间插入的控制死区时间可以防止直通，但也会增加失真和损耗，因为在该死区时间内体二极管或沟道导通占主导地位。

在基于 MOSFET 的电机驱动中，人们通常认为延长死区时间可以降低二极管相关的损耗。但实际上，延长死区时间并不能阻止反向恢复：反向恢复发生在死区时间间隔之后，并且仅在硬开关转换期间发生，具体取决于相换向时电机电流的方向。这会导致死区时间内不必要的体二极管导通，从而增加损耗并降低效率。在典型的设计中，死区时间可能会消耗高达 6% 的交流周期。

由于氮化镓器件兼具零反向恢复和极快的开关速度，设计人员可以安全地将死区时间缩短至仅几十纳秒，从而显著降低与死区时间相关的失真和损耗，同时还能防止直通现象。与传统的 20 kHz 频率限制相比，无刷直流电机的工作频率可高达 100 kHz，从而在扭矩响应、尺寸缩小和可靠性方面带来显著提升。

高频运行的一个不太明显的优势在于，它允许用小型、可靠的陶瓷电容器替代体积大、可靠性差的电解电容器。电解电容器在温度升高时容易击穿，并且在受到震动或机械应力（例如移动机器人中常见的情况）时也会失效。氮化镓 (GaN) 技术能够实现更高的开关频率，使工程师能够设计出体积更小、重量更轻、更耐用且在高温环境下性能更佳的驱动装置。

氮化镓功率模块的演进

EPC公司最初涉足这一领域，为刚开始使用机器人的用户生产芯片级氮化镓半桥模块。他们的成功促成了第二代产品的问世，第二代产品采用QFN封装，不仅更易于使用，而且散热性能也更好。Lidow表示：“大多数电机驱动应用的产量都比较小，而且工程设计要求很高”，工程师们不喜欢芯片级器件，因为它们难以操作。

随着工程师开始将这些模块应用于机器人执行器（例如手臂、肩膀和手腕），其优异的性能和实用性促成了它们的广泛应用。事实上，如今许多人形机器人设计都采用基于氮化镓（GaN）的驱动器来驱动肢体电机。这些驱动器通常比它们所取代的MOSFET电路板尺寸更小，但却能提供相同甚至更高的功率。

EPC公司在此成功的基础上，开发出三相封装，将三个半桥集成在一个高效散热的外壳中。这种结构类似于标准的无刷直流电机三相设计，从而缩小了电路板尺寸，简化了设计。器件背面接地，因此可以直接安装散热器，无需绝缘层。这种设计进一步提高了器件的散热效率。

EPC公司的EPC33110是一款高性能三相电机驱动模块，采用单片GaN半桥和集成栅极驱动器，专为无人机、机器人和人形机器人系统中的无刷直流电机而设计。它支持高达80V的输入电压，每个GaN FET的典型导通电阻RDS(on)仅为8.7mΩ，从而实现了高效率和快速开关。

逻辑电平输入（兼容 3.3V/5V）简化了控制。紧凑的 6 × 6.5 mm QFN 封装提供了出色的散热性能和高功率密度。该模块支持高达 100 kHz 的 PWM，每相可提供高达 20 ARMS 的功率，从而在减小系统尺寸和重量的同时，提升动态响应。

迈向单片电机驱动集成

如果说氮化镓（GaN）的首批封装技术在系统密度方面取得了巨大进步，那么下一代产品则将集成度提升到了新的高度。EPC公司将于2026年推出的第三代器件，采用了该公司最新的GaN FET技术，能够在更小的空间内集成更多功能。

每个模块尺寸仅为 3 × 3 毫米，却能承受高达 35 安培的电流，并内置过流保护、过温保护、直通保护和低静态电流等安全功能。芯片与封装基板的直接热连接确保即使在高功率密度下也能快速散热。

下一个重大突破名为“Trinity”，它将所有三个电机相位集成到单个GaN芯片上。这意味着电机驱动器被封装在一个小型芯片中，只需连接到控制器和传感器即可。EPC实验室的初步测试表明，这种架构可以从比信用卡还小的电路板上控制多个机器人轴。

EPC集成电路发展历程。第三代产品将于2026年5月至7月发布。

尽管这项技术最初是为人形机器人和协作机器人设计的，但它自然也适用于其他电池供电系统。轻巧高效的氮化镓驱动器在无人机、电动自行车和精密工业自动化领域同样具有价值。其优势——更小的尺寸、更高的效率和更长的使用寿命——可以直接应用于这些平台。

EPC的模块化开发路径展现了氮化镓创新如何从尖端机器人领域逐步扩展到更广泛的市场。“你先选定金字塔顶端，开发出真正优秀的产品，”Lidow总结道，“最终它会逐渐渗透到所有其他直流电机应用领域。”

随着系统速度更快、灵活性更高、自主性更强，其功率级也必须相应发展。氮化镓器件的开关速度比同类硅MOSFET快一个数量级，从而能够实现更高的工作频率，降低损耗并提高系统整体效率。

这种高速性能还允许用小型、可靠的陶瓷器件取代笨重的电解电容器，从而减轻紧凑型人形机器人和无人机平台的重量并提高其稳健性。

此外，GaN的零反向恢复电荷消除了体二极管的恢复损耗和相关的热应力，并将死区时间从数百纳秒缩短至仅几纳秒，从而降低了失真，提高了每安培扭矩，并降低了噪声。GaN作为驱动下一代运动器件（从人形机器人关节到无人机推进系统）的首选半导体技术脱颖而出。