GaN：數據中心、人形機器人的最佳選擇

在摩納哥舉行的博多電力系統寬帶隙論壇上，EPC創始人兼首席執行官Alex Lidow為氮化鎵（GaN）的討論定下了基調。他憑借在功率半導體領域五十年的經驗，強調了氮化鎵的顯著優勢。他與來自德州儀器、Navitas、英飛凌、東芝、大眾和三菱的專家共同發言，指出氮化鎵是低壓、高頻系統（從人工智能數據中心和人形機器人到自動駕駛汽車和激光雷達）的理想選擇。盡管碳化硅（SiC）仍然是高壓領域的首選，但Lidow強調，氮化鎵作為一種經濟高效的技術，已經在重塑負載點電源——以及更多領域。

 

Lidow指出GaN的關鍵成本優勢，稱EPC早在2014年就預測GaN將與硅MOSFET成本持平，并在2015年就實現了這一目標。他談到了GaN的“芯片尺寸優勢”：GaN器件的尺寸比同類型的硅MOSFET小約十倍。雖然這使得晶圓成本更高，但最終產品的整體成本卻更低。這一特性使得GaN在近十年前就得以應用，尤其是在需要高性能的低電壓領域。

 

Lidow指出，首批100V氮化鎵器件于20年前問世，是因為當時客戶需要的是速度更快、體積更小的解決方案。Lidow表示，這一策略至今仍然適用。他強調 48V 數據中心背板是增長最快的市場機遇之一。

 

在器件架構方面，Lidow 證實了低電壓集成圍繞增強型（e-mode）GaN 展開：功率開關現在傾向于單片 e-mode 設計，與更高電壓的級聯或直接驅動相比，簡化了集成。

 

Lidow 回顧了 EPC 的封裝歷程，指出早期的芯片級器件具有超低電感、低電阻和優異的熱性能——但它們的脆弱性和僵硬的端子最終限制了其應用。

 

這些問題通過改用 PQFN 封裝得以解決。緊湊的內部布局降低了寄生效應，背面具有良好的散熱路徑，而且封裝本身現在可以吸收熱機械應力，而熱機械應力是寬帶隙器件唯一真正的損耗模式。

 

Lidow認為，穩固的熱機械設計最終決定了寬禁帶器件的可靠性。設計得當的氮化鎵（GaN）憑借其強大的原子鍵，能夠高效應對過載，而卓越的制造工藝則最大限度地減少了外部缺陷。他將這些特性與重要的技術發展聯系起來，并指出氮化鎵日益增長的社會影響力體現在其在激光雷達（LiDAR）、人工智能基礎設施和機器人電機驅動等領域的應用。

 

Lidow 向所有人展示了一款數據中心解決方案，該方案是一款800 V 至 12 V、6 kW 的轉換器，厚度僅為 8 毫米，效率高達 98%，這是通過兆赫茲速度的交錯式八級 GaN 實現的。

 

采用電壓共享拓撲結構更容易將多個電感器并聯連接。串聯連接更適用于高電壓，而并聯連接更適用于功率擴展。他建議人們重新考慮舊設計，以適應這種新的堆疊方式。

 

他強調了氮化鎵技術的成熟度，指出第七代氮化鎵器件每平方毫米可承受180萬安培的電流，超過銅的承受能力，這需要對系統進行全新的思考。與會專家一致認為，隨著人工智能推動電力系統向兆瓦級發展，氮化鎵在低功率密度領域仍然無可匹敵。隨著成本優勢的逐漸顯現和機架級效率提升的指日可待，Lidow認為氮化鎵正處于加速發展、勢不可擋的軌道上。

 

氮化鎵功率級驅動下一代人形機器人

隨著人工智能和自主系統不斷突破技術極限，一種新型機器正在被研發出來：能夠以栩栩如生的方式移動的人形機器人。氮化鎵（GaN）為這些系統提供了所需的小型、高功率電源。

 

Lidow 在慕尼黑舉行的 Bodo 大會上發表主題演講，稱氮化鎵是機器人革命的關鍵組成部分。

 

多位分析師認為，未來幾年人形機器人市場有望增長，這主要得益于對能夠滿足日益提高的集成度和效率要求的計算和電力電子技術的需求。隨著社會老齡化和出生率下降，尤其是在發達國家，對自動化勞動力的需求變得日益迫切。

 

人形機器人正逐漸成為解決工業和服務業勞動力短缺的切實可行的方案。目前，制約因素在于成本，以及設計上的挑戰，這些挑戰不僅涉及硬件，還涉及軟件，包括編程、適應性和從各種意外情況中學習的能力?？朔@些挑戰將使社會能夠將機器人融入日常生活和工作中。

 

電機是所有機器人動力電子系統的核心。這些無刷直流 (BLDC) 電機為機器人的不同部位提供動力。一個典型的機器人擁有超過 40 個電機，每個電機驅動不同的部件，例如手指、膝蓋等等。這些電機所需的能量取決于它們的功能。這些進步得益于高效、小型化且可靠的先進動力電子技術。而氮化鎵 (GaN) 功率晶體管和集成電路 (IC) 正是在此發揮作用。

 

根據行業分析中引用的美國銀行2025年報告，到2030年，人形機器人的年銷量可能達到100萬臺，到2060年，全球將有30億臺機器人投入使用——幾乎相當于地球上每三個人就擁有一臺。這一爆炸性增長與高盛的預測相符，高盛預測到2035年，全球人形機器人市場規模將達到380億美元，全球部署量可能達到300萬至2700萬臺，尤其是在保護人類工人的危險作業中。

 

受人口老齡化、勞動力短缺和人工智能進步的推動，這些預測凸顯了工業、服務和消費應用領域對多功能人形機器人平臺日益增長的需求。氮化鎵將有助于縮小系統尺寸、減少功率損耗，并在極端溫度下更好地工作。氮化鎵主要用于人形機器人，例如旋轉執行器、靈巧機械手、線性執行器、智能感知、人工智能和控制系統、電池以及充電器。最新的氮化鎵功率集成電路內置了場效應晶體管（FET）、驅動器和保護電路。這使得設計用于機械臂和機械手的即插即用執行器模塊變得更加容易，而使用獨立的MOSFET則難以實現這一點。

 

氮化鎵在現代電機驅動架構中的優勢

大多數人形機器人依賴于工作電壓在 48-60 伏左右的無刷直流 (BLDC) 電機——這正是氮化鎵 (GaN) 器件性能的理想工作電壓范圍。這些電機必須提供高扭矩和快速響應，同時最大限度地減輕重量和降低發熱量。

 

傳統的硅 MOSFET 雖然堅固耐用，但在這些電壓下會因較高的開關損耗和體二極管反向恢復而受到限制。在基于 MOSFET 的驅動電路中，互補開關之間插入的控制死區時間可以防止直通，但也會增加失真和損耗，因為在該死區時間內體二極管或溝道導通占主導地位。

 

在基于 MOSFET 的電機驅動中，人們通常認為延長死區時間可以降低二極管相關的損耗。但實際上，延長死區時間并不能阻止反向恢復：反向恢復發生在死區時間間隔之后，并且僅在硬開關轉換期間發生，具體取決于相換向時電機電流的方向。這會導致死區時間內不必要的體二極管導通，從而增加損耗并降低效率。在典型的設計中，死區時間可能會消耗高達 6% 的交流周期。

 

由于氮化鎵器件兼具零反向恢復和極快的開關速度，設計人員可以安全地將死區時間縮短至僅幾十納秒，從而顯著降低與死區時間相關的失真和損耗，同時還能防止直通現象。與傳統的 20 kHz 頻率限制相比，無刷直流電機的工作頻率可高達 100 kHz，從而在扭矩響應、尺寸縮小和可靠性方面帶來顯著提升。

 

高頻運行的一個不太明顯的優勢在于，它允許用小型、可靠的陶瓷電容器替代體積大、可靠性差的電解電容器。電解電容器在溫度升高時容易擊穿，并且在受到震動或機械應力（例如移動機器人中常見的情況）時也會失效。氮化鎵 (GaN) 技術能夠實現更高的開關頻率，使工程師能夠設計出體積更小、重量更輕、更耐用且在高溫環境下性能更佳的驅動裝置。

 

氮化鎵功率模塊的演進

EPC公司最初涉足這一領域，為剛開始使用機器人的用戶生產芯片級氮化鎵半橋模塊。他們的成功促成了第二代產品的問世，第二代產品采用QFN封裝，不僅更易于使用，而且散熱性能也更好。Lidow表示：“大多數電機驅動應用的產量都比較小，而且工程設計要求很高”，工程師們不喜歡芯片級器件，因為它們難以操作。

 

隨著工程師開始將這些模塊應用于機器人執行器（例如手臂、肩膀和手腕），其優異的性能和實用性促成了它們的廣泛應用。事實上，如今許多人形機器人設計都采用基于氮化鎵（GaN）的驅動器來驅動肢體電機。這些驅動器通常比它們所取代的MOSFET電路板尺寸更小，但卻能提供相同甚至更高的功率。

 

EPC公司在此成功的基礎上，開發出三相封裝，將三個半橋集成在一個高效散熱的外殼中。這種結構類似于標準的無刷直流電機三相設計，從而縮小了電路板尺寸，簡化了設計。器件背面接地，因此可以直接安裝散熱器，無需絕緣層。這種設計進一步提高了器件的散熱效率。

 

EPC公司的EPC33110是一款高性能三相電機驅動模塊，采用單片GaN半橋和集成柵極驅動器，專為無人機、機器人和人形機器人系統中的無刷直流電機而設計。它支持高達80V的輸入電壓，每個GaN FET的典型導通電阻RDS(on)僅為8.7mΩ，從而實現了高效率和快速開關。

 

邏輯電平輸入（兼容 3.3V/5V）簡化了控制。緊湊的 6 × 6.5 mm QFN 封裝提供了出色的散熱性能和高功率密度。該模塊支持高達 100 kHz 的 PWM，每相可提供高達 20 ARMS 的功率，從而在減小系統尺寸和重量的同時，提升動態響應。

 

邁向單片電機驅動集成

如果說氮化鎵（GaN）的首批封裝技術在系統密度方面取得了巨大進步，那么下一代產品則將集成度提升到了新的高度。EPC公司將于2026年推出的第三代器件，采用了該公司最新的GaN FET技術，能夠在更小的空間內集成更多功能。

 

每個模塊尺寸僅為 3 × 3 毫米，卻能承受高達 35 安培的電流，并內置過流保護、過溫保護、直通保護和低靜態電流等安全功能。芯片與封裝基板的直接熱連接確保即使在高功率密度下也能快速散熱。

 

下一個重大突破名為“Trinity”，它將所有三個電機相位集成到單個GaN芯片上。這意味著電機驅動器被封裝在一個小型芯片中，只需連接到控制器和傳感器即可。EPC實驗室的初步測試表明，這種架構可以從比信用卡還小的電路板上控制多個機器人軸。

EPC集成電路發展歷程。第三代產品將于2026年5月至7月發布。

 

盡管這項技術最初是為人形機器人和協作機器人設計的，但它自然也適用于其他電池供電系統。輕巧高效的氮化鎵驅動器在無人機、電動自行車和精密工業自動化領域同樣具有價值。其優勢——更小的尺寸、更高的效率和更長的使用壽命——可以直接應用于這些平臺。

 

EPC的模塊化開發路徑展現了氮化鎵創新如何從尖端機器人領域逐步擴展到更廣泛的市場。“你先選定金字塔頂端，開發出真正優秀的產品，”Lidow總結道，“最終它會逐漸滲透到所有其他直流電機應用領域。”

 

隨著系統速度更快、靈活性更高、自主性更強，其功率級也必須相應發展。氮化鎵器件的開關速度比同類硅MOSFET快一個數量級，從而能夠實現更高的工作頻率，降低損耗并提高系統整體效率。

 

這種高速性能還允許用小型、可靠的陶瓷器件取代笨重的電解電容器，從而減輕緊湊型人形機器人和無人機平臺的重量并提高其穩健性。

 

此外，GaN的零反向恢復電荷消除了體二極管的恢復損耗和相關的熱應力，并將死區時間從數百納秒縮短至僅幾納秒，從而降低了失真，提高了每安培扭矩，并降低了噪聲。GaN作為驅動下一代運動器件（從人形機器人關節到無人機推進系統）的首選半導體技術脫穎而出。