GaN技术引领机器人与电机驱动器革新

2025/04/02新闻中心行业新闻 1620

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从春晚之后，人形机器人越来越火，同时整个机器人市场也有着大幅增长，预计今年将达到 998 亿美元至 1100 亿美元，到 2030 年，市场价值将增长 98.2%至 132.7%。

本质上而言，促成这一增长的一个主要因素是人口年龄的增长，这导致了劳动力短缺。在需求增长的同时，技术进步也使得机器人更便于使用。

首先是人工智能和传感器集成技术的发展，使机器人技术整合自然语言处理和计算机视觉等能力大幅增强，这是计算带来的革新。

与此同时，氮化镓也是机器人功率变革的关键之一。得益于氮化镓（GaN）的高效率和紧凑性，将推动各类机器人的增长。

氮化镓将为电机带来更深远的变革

正如英飞凌 GaN 系统业务线负责人，高级副总裁兼总经理Johannes Schoiswohl博士，在《2025氮化镓市场预测报告》所述，基于 GaN 的电机驱动器提供了更好的效率和性能、更高的功率密度和更少的电机损耗以及高速切换。可以为系统提供一系列好处，例如消除了笨重的电解电容器、减小了尺寸并实现了最高的可靠性。同时，将逆变器集成在电机底盘内可消除散热片，同时减少每个关节/轴的布线并简化 EMC 设计，而更高的控制频率可改善动态响应。

氮化镓正在成为功率半导体厂商差异化竞争的关键之一。如今，传统功率器件厂商正处于高度集中态势，市场竞争激烈，根据弗若斯特沙利文数据，全球前十家公司的市场份额合计为66.9%。这些功率厂商基本都是少数IDM所把持，他们资金实力雄厚，且运营效率更高。

但是，也如《芯流智库》所述，近四十年以来，不少厂商固守于传统硅芯片技术路线，在半导体材料、功率系统设计创新上作为甚少，即使少数企业尝试改变，也受既有经营观念和规则束缚，有心无力。因此，长期以来，与数字芯片领域日新月异的火热局面形成鲜明反差，功率芯片领域厂商们长期守在舒适区，一成不变。

氮化镓的到来，让竞争者们看到了新变革，诸如EPC、纳微等Fabless功率器件公司也可以同IDM们一决高下。同时叠加车规级充电、数据中心、具身机器人等高频、高功率密度应用场景应用需求的创新增加，氮化镓正在成为市场焦点。随着快充头的普及，让GaN有了广阔的市场空间，包括电机驱动、车载OBC、DC/DC以及太阳能逆变器等创新市场中，氮化镓正在引领潮流。

比如在机器人应用中，氮化镓可以应用于包括电机控制、电池管理、DC/DC以及激光雷达驱动等子系统中。

目前，英飞凌、瑞萨等传统功率器件厂商都陆续展开了针对氮化镓企业的收购，分别收购了GaN Systems和Transphorm，2025年初，安森美也宣布收购了NexGen Power Systems的GaN工厂。

同时，随着GaN的市场需求增加，包括英飞凌和德州仪器在内的功率IDM巨头宣布了扩产计划，其中英飞凌成为全球首个12英寸GaN供应商，而德州仪器宣布其日本会津工厂开始生产GaN功率器件，使整体GaN产能增至四倍。

另外，在中国市场中，英诺赛科已成功IPO。近期其也与意法半导体宣布，双方签署GaN技术联合开发协议，致力于为AI数据中心、可再生能源发电与存储、汽车等领域打造面向未来的功率电子技术。英诺赛科可借助意法半导体在欧洲的制造产能，意法半导体可借助英诺赛科在中国的制造产能。

国内外种种动向均表明，氮化镓的前景大热，也会在机器人有一席之地。

英飞凌：氮化镓应用于无人机

在CES 2025上，英飞凌展示了一款应用于工业无人机的 GaN 电路板驱动。得益于氮化镓技术，六个 100V GaN功率管以前所未有的效率和精度安装。无人机机身由碳制成，进一步提高了坚固性和续航能力。它可以在载重5公斤的情况下飞行约 12 分钟。

针对GaN在无人机中的优势，英飞凌解释道，GaN的超高的功率密度和效率使设计更轻便，里程更远；由于电路板更小，臂架更紧凑、更符合空气动力学；损耗更小（更低的 QOSS 和更线性的 COSS）；死区时间更短。

除此之外，英飞凌还提供了多个BLDC电机控制应用及电源管理的氮化镓参考设计，如下列举。

另外值得一提的是，英飞凌最近推出了英飞凌移动机器人（简称IMR）开发平台，展示了英飞凌面向机器人应用的最新产品。无论是选购适用于某个特定子系统/功能块的产品，还是寻求与英飞凌携手打造一个完整的系统，IMR都可以提供强大、便捷、高效的硬件和软件解决方案。

德州仪器：GaN FET 适合人形机器人应用

人形机器人集成了许多子系统，包括伺服控制系统、电池管理系统、传感器系统、AI 系统控制等等。人形机器人中空间最受限的子系统是伺服控制系统。为了实现与人类相似的运动范围，通常在整个机器人中部署大约 40 个伺服电机 (PMSM) 和控制系统。电机分布在身体的不同部位，例如颈部、躯干、手臂、腿、脚等。这个数字还不包括灵活手的电机。为了模拟人手的自由度，一只手可能集成十几个微型电机。这些电机的功率要求取决于执行的具体功能；例如，驱动机器人手指的电机可能只需要几安培，而驱动臀部或大腿的电机则可能需要 100 安培或更多。与传统伺服系统相比，人形机器人的伺服系统具有更高的控制精度、尺寸和散热要求，这可以通过GaN解决。

需要更精确的控制

GaN可以在伺服电机驱动应用中实现更精确的控制。电机控制通常分为几个控制环路层：电流/扭矩环路、速度环路、位置环路和更高级别的运动控制环路。这些环路通常以级联方式排列，每个环路都有实时处理要求。电流/扭矩环路是最快的控制环路。每个上游环路以之前环路的倍数运行，并为下游环路提供输入参考。

典型的伺服电机控制环路技术

控制环路中最重要的部分是电流环路。通常，FET 开关频率与电流环路相同，约为 8kHz 至 32kHz。电流环路的速度直接影响电机控制的精度和响应速度。人形机器人的一个简单动作涉及许多伺服电机的控制。为了协调机器人体内近 40 个电机，同时保持系统的稳定性，每个关节的控制精度和响应速度必须满足非常高的要求。这些需要提高电机控制环路的速度和 PWM 频率。例如，开关频率为 100kHz可以实现更高的电机电流分辨率，对应更小的电流纹波和更精确的控制，从而提高电机的运行效率并降低电机发热。

100kHz 和 10kHz PWM 电机电流对比

此外，提高 PWM 开关频率可以减小直流总线电容器尺寸和电容。伺服功率级 FET 会随着 PWM 信号定期从总线电容器中抽取电流。当 PWM 频率增加时，单位时间内抽取的电荷量较小，这意味着所需的总线电容减少。根据 TIDA-010936 参考设计的测试，将 PWM 频率从 20kHz 提高到 80kHz 后，可以用陶瓷电容器代替电解电容器，以获得相似的总线电压纹波。陶瓷电容相比电解电容有明显的优势：体积更小、寿命更长、高频特性更好等等。

因此，在设计人形机器人时必须考虑更高速的电流环路和PWM频率。对于基于MOSFET的伺服驱动器，PWM开关频率的提高会带来较大的额外损耗，导致驱动器严重发热。当开关频率从10kHz增加到20kHz时，基于MOSFET的驱动器整体损耗增加20%到30%，这对于人形机器人来说是不可接受的。相反，GaN FET在高频下具有较低的开关损耗。在TIDA-010936测试中，40kHz和80kHz时的电路板损耗几乎相同，因此GaN特别适合高开关频率场景。

更小巧，更高效

GaN 器件具有较小的栅极电容 (Cg) 和较小的输出电容 (Coss)，可实现比硅基MOSFET 快 100 倍的开关速度。由于关断和导通时间缩短，死区时间可以控制在更短的范围内，例如 10-20ns，而 MOSFET 通常需要约 1us 的死区时间。死区时间的减少可以实现更低的开关损耗。此外，GaN FET 没有体二极管，续流功能是通过第三象限操作实现的。在高频PWM场景下，MOSFET的体二极管会产生较大的反向恢复损耗（Qrr损耗）。第三象限工作还避免了体二极管引起的开关节点振铃和EMI风险，可以减少对高功率密度人形机器人中其他设备的干扰。

人形机器人的关节空间有限。电源板通常是一个直径为5-10厘米的环形PCB。此外，关节必须集成电机、减速器、编码器甚至传感器。至关重要的是，设计人员必须在有限的空间内实现更高的功率和更稳定的电机控制。与MOSFET相比，GaN具有较小的Rsp（比电阻，面积与芯片尺寸的比较），这意味着与相同Rdson的MOSFET相比，GaN的芯片面积更小。德州仪器通过集成FET和栅极驱动器进一步减少了占用面积，从而实现4.4mΩ半桥+栅极驱动器可以在仅4.5 x 5.5mm的封装中实现。

以 LMG2100R026 为例。该设备集成了半桥的 FET 和半桥驱动器，可承受 55A 的连续电流。将驱动器与 FET 集成有许多优点，包括：

• 减少栅极振铃以实现更可靠的操作

• 通过优化封装尺寸降低电源环路电感

• 通过集成栅极驱动器减小尺寸

• 通过集成保护保护设备

为了在设计中比较 GaN 和 MOSFET，我们可以查看提供类似功率水平的 TIDA-010936 和 TIDA-01629 设计。如下图所示，由于 GaN 集成了栅极驱动器，且 Rsp 更低，整个功率器件的芯片面积减少了 50% 以上。

GaN 与 MOSFET 功率级比较

人形机器人对控制精度和功率密度的要求更高。GaN 可以轻松实现高精度电机控制，在高 PWM 频率下损耗低。GaN 的高功率密度特性与德州仪器集成驱动器的特性相结合，可以进一步缩小尺寸。由于这些优势，基于 GaN 的电机驱动器很可能成为人形机器人的首选设计，从而提供更高效、更稳定、更智能的机器人设计。除了人形机器人外，GaN 技术也是其他类型机器人（协作机器人、手术机器人、AGV）、工业伺服、家用电器和其他需要高功率密度的应用的绝佳选择。

EPC：人形机器人为何需要精密电机驱动器

随着人形机器人成为医疗保健和物流等行业必不可少的工具，对腕部和脚趾关节等复杂运动进行精确的电机控制至关重要。EPC91104 电机驱动逆变器参考设计专为紧凑型高精度电机应用量身定制。

EPC91104：针对人形机器人进行了优化

EPC91104 是一款针对人形机器人应用进行优化的三相 BLDC 电机驱动逆变器参考。凭借其紧凑的尺寸（81 毫米 x 75 毫米）和处理 14 V 至 80 V 输入电压的能力，它为腕部和脚趾电机驱动器提供了无与伦比的性能，具有14 ARMS以及20A峰值的驱动能力，该解决方案采用 EPC23104 ePower Stage IC。配备高带宽（120 kHz）电流和电压感应，适用于所有相位，可实现精确控制和诊断。

逆变器兼容 Microchip、TI和ST的控制器，简化集成，通过集成高度优化的 PCB 布局和低失真开关，EPC91104 可降低扭矩波动和电机噪音，确保平稳安静地运行。

精密运动对于人形机器人至关重要，特别是在小关节驱动中。EPC91104 增强型GaN技术非常适合小关节的驱动，该技术在效率、尺寸和开关速度方面超越了传统的硅基解决方案。

EPC91104 在尺寸和精度至关重要的电机驱动应用中表现出色。例如，机器人脚趾必须提供稳定性和动态运动，而手腕则需要灵活性和负载管理。 EPC91104 的低失真开关可减少电机啸叫噪音和扭矩波动，确保平稳安静地运行，这对于在医院或办公室等环境中工作的机器人至关重要。

EPC91104 经过严格测试，以验证其在实际条件下的性能。使用 48 VDC 电源并以 100 kHz 的频率切换时，死区时间为 50 ns，可以为 3 kW 电机供电，该电路板在自然对流下无需散热器即可提供 11 ARMS 稳态相电流。在散热器和自然对流的情况下，该电路板可提供 15 ARMS 稳态电流和高达 26.5 ARMS 的峰值电流。

EPC91104 的热设计由可选的散热器和热界面材料支持，即使在高负载下也能确保可靠运行。当在环境温度为 22°C 的电机台架上运行时，使用 48 VDC 电源和自然对流，EPC91104 可以在没有散热器的情况下每相提供 11 ARMS，在连接散热器的情况下每相提供 15 ARMS，从 GaN IC 外壳到环境温度的温升低于 75°C。

对于更高电流的应用，例如人形机器人中的肘部和膝盖电机，EPC还提供了其他参考设计，如EPC9176。不同的方案组合，可以满足从精细的手指运动到强大的膝盖关节等各种电机驱动要求。

纳微：自主研发的 GaN 功率 IC 提供高性能、可靠的电机驱动

欧盟目前约部署了 80 亿台电动机，消耗了欧盟近 50% 的电力，需要使用多项举措来降低电动机的耗电量。例如，许多全球家用电器能效标签标准以降低能耗、可听噪声和电噪声等为目标，影响着家用电器的设计。另一个例子是欧洲引入了工业电动机的能效等级，有效地将低能效电机从市场上剔除。因此，我们看到了感应电动机的兴起，例如无刷直流 (BLDC)，它们体积更小，在相同机械功率下效率更高。

这些效率更高、性能更高的电机需要更复杂的电子系统作为支撑。变速驱动器 (VSD) 或变频驱动器 (VFD) 的PWM技术从整流交流电源为电机产生脉冲三相电压。这可以提高性能，可以控制速度和扭矩，并对系统的机械设计产生积极影响。有源功率因数校正 (PFC) 在高压电网侧实施，可提高电网稳定性，这正成为更严格的规定（例如IEC61000）。

由无桥“图腾柱” PFC、控制器和三相逆变器级组成的典型变速驱动器

硅基IGBT的速度太慢了

几十年来，VSD 一直使用 IGBT 作为其主要电源开关。这些传统的硅晶体管坚固耐用且具有成本效益，但开关速度较慢且损耗相对较高，因此还有改进的空间。对于许多消费类应用（尤其是那些预计在室内使用的应用），需要高于 16kHz 的开关频率来降低可听噪声。这些较高的频率对 IGBT 来说是一个挑战，因为它们的反向恢复特性较慢，导致开关损耗较高。硅 MOSFET 也用于 VSD，但实现的功率密度低于 IGBT，尽管在满载条件下开关损耗可能较低。MOSFET 的内部体二极管恢复损耗也可能非常差，这会增加总损耗。即使是专门设计的带有快速恢复二极管的 MOSFET 通常也比 IGBT 产品中的快速恢复二极管更慢、更灵敏。在轻载操作中，由于 MOSFET 具有线性的电流电压关系，因此它们确实比 IGBT 更具优势。

GaN 在电机驱动器中的优势

通过在功率级中使用GaN，可以实现逆变器和电机以及整个系统的效率的下一个重大进步。基于 GaN 的器件更接近理想开关，可显著降低开关损耗，从而带来许多不同的好处。

在大多数情况下，VSD 的效率相对较高，通常为 95%-97%，远高于电机或被驱动的机械过程。旧电机的效率为 60%，而更现代的 BLDC 电机的效率为 80% 或更高。这些更高效的 VSD 系统由于开关损耗非常低而提供更好的电气效率，从而降低了系统成本，因为可以显著减少甚至消除散热片。在 VSD 的典型硬开关半桥中，具有零反向恢复损耗的 GaN IC 的较低开关损耗可以比 IGBT 或 MOSFET 低 4 到 5 倍，从而将总功率损耗降低 50%。在低功率应用中，这甚至可能意味着完全消除散热片。散热片常用的机加工铝的价格为每公斤 6 至 8 美元，并在 2021 年达到 13 年来的最高水平，这对系统的成本影响很大。此外，重量减轻可降低运输成本，从而进一步降低总拥有成本 (TCO)。

Navitas GaNFast IC 在所有开关频率下均表现出较低的损耗，但随着开关频率的增加损耗会增加（来源：Navitas Semiconductor 计算）

硅 IGBT 和 MOSFET 都会表现出一种称为“反向恢复”的现象，即它们的 PN 结在导通状态下充满电，而在关断状态下放电。恢复时间 (TRR )、恢复电荷 (QRR ) 和恢复电流 (IRR ) 都会影响反向恢复行为和开关损耗的特性，导致开关状态下系统出现不受控制的振铃和电压过冲和欠冲。即便硅 MOSFET 与常开 GaN FET 相结合，级联 GaN 器件也存在同样的情况。

Navitas GaNFast IC 将驱动器与增强型 FET 集成在一起，由于没有有源 PN 结，因此不存在体二极管，从而导致器件中没有反向恢复电荷。这显著降低了开关损耗，并在开关事件期间提供更平滑的电压波形，同时将振铃降至最低，从而提高了性能和系统可靠性并降低了系统成本。

由于没有 QRR，GaNFast IC 成为半桥拓扑等硬开关设计的理想选择，其中开关损耗最低发生在高端和低端开关转换期间。两个开关之间所需的死区时间可以大大缩短，从大约 2000 纳秒缩短到 50 纳秒。对于电机驱动应用，这可以显著降低扭矩纹波和可听噪声，从而延长系统的使用寿命。

自主、可靠的电源：GaNFast 与 GaNSense

硅和碳化硅 (SiC) 中的 IGBT 和 MOSFET 的驱动方式类似。该设备通过 10-20V 的栅极驱动开启，并且经常关闭至零伏，或者关闭至负电压以获得更高的功率水平。分立 eMode GaN 设备通常需要 5-7 伏的栅极驱动，并且可能还需要负电压来关闭它们。如果没有正确优化，性能和可靠性都会受到影响。这是因为，虽然 GaN 是一种先进的材料，但分立 GaN FET 确实有一个“致命弱点”——栅极节点必须小心驱动。如果栅极上的电压太低，FET 不会完全打开，因此 RDS(ON)和损耗很高，如果电压过高，栅极可能会损坏。

为了解决这个问题，GaNFast 功率 IC 将 GaN FET和 GaN 驱动器以及控制和保护集成在一个 SMT 封装中。结果是可靠、易于使用、高速、高性能的“数字输入、电源输出”构建模块。截至 2022 年 3 月，GaNFast已出货超过 40000000颗，没有任何与 GaN 相关的现场故障。