在摩纳哥举行的 Bodo Power Systems 宽禁带论坛上，EPC 创始人兼首席执行官 Alex Lidow 凭借其五十年电力半导体领域的经验，为 GaN 相关讨论定下了基调，重点强调了氮化镓（GaN）的显著优势。与来自德州仪器（Texas Instruments）、Navitas、英飞凌（Infineon）、东芝（Toshiba）、大众汽车（Volkswagen）和三菱（Mitsubishi）的专家同台交流时，他将 GaN 定位为低电压、高频系统的更优选择——应用领域涵盖 AI 数据中心、人形机器人、自动驾驶车辆以及 LiDAR。尽管 SiC 仍然是高电压应用的首选，但 Lidow 指出，GaN 已成为一种具有成本优势的技术，正在重塑负载点（PoL）供电架构——而且远不止于此。

Lidow 指出 GaN 在成本上的关键交叉点，表示 EPC 早在 2014 年就预测 GaN 将与硅实现成本持平，并在 2015 年达成这一目标。他谈到了所谓的“晶圆尺寸魔力”：同类型的 GaN 器件尺寸大约只有硅 MOSFET 的十分之一。这虽然使晶圆成本更高，但最终产品的整体成本却更低。正是这一特性，使 GaN 在近 10 年前便开始被广泛采用，尤其是在对高性能有迫切需求的低电压应用领域。

Lidow 还指出，首批 100 V GaN 器件在 20 年前就已推出，因为当时客户最需要更快、更小型的解决方案。这一战略至今依然有效：“随着我们第七代产品的推出，我们已经深度进入负载点转换器领域，工作频率提升至更高的兆赫兹级别。而且，随着电压等级降低，市场规模也在不断扩大。”他特别强调，48 V 数据中心背板是增长最快的机遇之一。

在器件架构方面，Lidow 确认低电压应用已逐步统一到增强型（e-mode）GaN 架构：当前的功率开关更倾向于采用单片集成的 e-mode 设计，相较于级联或高电压下的直接驱动方案，这种方式大大简化了系统集成。

Lidow 回顾了 EPC 在封装方面的发展历程，指出早期的芯片级封装器件具备超低寄生电感、低导通电阻和优异的热性能，但其机械脆弱性和刚性引脚最终限制了应用普及。通过转向 PQFN 封装，这些问题得以解决。紧凑的内部布局有效降低了寄生参数，背面提供了强大的散热通道，而封装本身也能够吸收热-机械应力——这正是宽禁带器件唯一真实的老化机制。

据 Lidow 表示，稳健的热-机械设计最终决定了宽禁带器件的可靠性。在设计得当的情况下，GaN 强大的原子键结构使其能够很好地承受过载，而先进的制造工艺则最大限度地减少了外部缺陷。他将这些特性与重大的技术进步联系在一起，指出 GaN 在 LiDAR、AI 基础设施供电以及机器人电机驱动中的应用，正日益体现出其对社会的深远影响。

Lidow 重点介绍了一款面向数据中心的解决方案：一款800 V 至 12 V、6 kW 的转换器，厚度仅 8 mm，效率高达 98%，通过在兆赫兹频率下运行的八级 GaN 交错并联架构实现。他指出，在电压共享拓扑中，并联多个电感更加容易；而在更高电压下，串联结构更具优势；在功率扩展方面，并联方案表现更佳。他呼吁业界重新思考传统设计，以适应这种新的堆叠方式。

他通过强调第七代 GaN 器件的成熟度进一步佐证这一趋势：其电流密度可达每平方毫米 180 万安培，甚至超过铜的能力，这也要求系统设计思维发生转变。与会嘉宾一致认为，随着 AI 推动电力系统迈向兆瓦级规模，在低功率密度应用领域，GaN 依然无可匹敌。随着成本趋于持平、机架级效率提升逐渐显现，Lidow 认为 GaN 正沿着一条加速且不可阻挡的轨道前进（图 1）。

GaN 功率级推动下一代人形机器人发展

随着 AI 和自主系统不断突破技术极限，一类全新的机器正在被开发出来：能够以近似生命体方式运动的人形机器人。GaN 正在为这些系统提供所需的小型化、高功率电源。

EPC 首席执行官 Alex Lidow 在慕尼黑举行的 Bodo 活动主题演讲中表示，GaN 是机器人革命的关键组成部分。他说道：“二十年后回顾今天，我们会称之为 AI 与机器人时代。GaN 在性能方面真正大放异彩。”

多位分析师指出，在未来几年内，人形机器人市场预计将快速增长，其驱动力来自对计算能力和电力电子技术的需求，这些技术需要支持更高水平的集成度和效率。随着社会老龄化加剧以及出生率下降，尤其是在发达国家，对自动化劳动力的需求愈发迫切。人形机器人正逐渐成为解决工业和服务领域劳动力短缺的可行方案。目前的限制因素主要在于成本，以及涉及硬件和软件的设计挑战，包括编程、适应能力以及从各种不可预见情境中学习的能力。克服这些挑战，将使机器人能够更好地融入日常生活与工作。

电机是每一台机器人的核心动力电子系统。人形机器人通常采用无刷直流（BLDC）电机来驱动身体各个部位。一个典型的机器人往往配备 40 多个电机，分别驱动手指、膝关节等不同部位。这些电机的能量需求取决于其具体功能。这一切进步都依赖于高效率、小尺寸且高可靠性的先进电力电子技术，而这正是 GaN 功率晶体管和集成电路（IC）发挥作用的地方。

根据 2025 年行业分析中引用的一份美国银行报告，到 2030 年，人形机器人年销量可能达到 100 万台，并在 2060 年扩展至惊人的 30 亿台在役规模——几乎每三个人就拥有一台机器人。这一爆发式增长与高盛的预测一致：到 2035 年，全球人形机器人市场规模可能达到 380 亿美元，部署数量约为 300 万至 2700 万台，尤其适用于危险作业场景，以保护人类工人。在人口老龄化、劳动力短缺以及 AI 技术进步的推动下，这些预测凸显了工业、服务及消费领域对多功能人形平台的强劲需求。

GaN 有助于实现系统小型化、降低功率损耗，并在极端温度环境下保持优异性能。在人形机器人中，氮化镓主要应用于旋转执行器、灵巧手、直线执行器、智能感知系统、AI 与控制系统、电池以及充电器。最新一代 GaN 功率 IC 集成了 FET、驱动器和保护功能，使得即插即用的执行器模块设计更加容易，而这在采用分立 MOSFET 时往往难以实现。

现代电机驱动架构中 GaN 的优势

大多数人形机器人依赖工作在约 48–60 V 电压范围内的无刷直流（BLDC）电机——这一电压区间正好契合 GaN 的优势。这些电机需要在尽量减轻重量和降低发热的同时，提供高扭矩和快速响应。

传统硅 MOSFET 虽然可靠，但在这一电压范围内容易受限于较高的开关损耗和体二极管反向恢复问题。在基于 MOSFET 的驱动中，为防止上下管直通而引入的死区时间，会导致在该期间体二极管或沟道导通占主导，从而增加失真和损耗。人们常认为延长死区时间可以降低二极管相关损耗，但实际上，反向恢复并不会因死区时间变长而消失：它发生在死区之后，并仅在硬开关转换期间出现，取决于相位换向时的电机电流方向。这会导致死区期间不必要的体二极管导通，增加损耗并降低效率。在典型设计中，死区时间甚至可能占据交流周期的 6%。

由于 GaN 器件具备零反向恢复电荷和极快的开关速度，设计人员可以将死区时间安全地缩短至几十纳秒，从而显著降低死区相关的失真和损耗，同时仍能防止直通。在高达 100 kHz 的频率下运行 BLDC 电机（而非传统的 20 kHz 上限），可在扭矩响应、尺寸缩小和可靠性方面带来显著提升。

从电解电容到陶瓷电容

高频运行带来的一个不那么显而易见的优势是，可以用小型、可靠的陶瓷电容替代体积大且可靠性较低的电解电容。电解电容在高温下容易老化，在振动或机械应力下也可能失效，而这些情况在移动机器人中十分常见。GaN 支持更高的开关频率，使工程师能够设计出更小、更轻、更耐用、并且在高温环境下性能更优的驱动系统。

GaN 功率模块的演进

EPC 最初通过为早期机器人用户提供芯片级 GaN 半桥模块进入这一领域。这一成功催生了第二代产品，其采用 QFN 封装，更易于使用并具备更好的热管理能力。Lidow 表示：“大多数电机驱动应用都是低批量、工程密集型的，”而工程师通常并不喜欢难以操作的芯片级器件。

随着工程师开始在机器人执行器（如手臂、肩部和手腕）中采用这些模块，其性能与实用性的结合推动了广泛应用。事实上，如今许多人人形机器人设计已在肢体电机中采用基于 GaN 的驱动方案。这些驱动器往往比其所替代的 MOSFET 电路板更小，但却能提供相同甚至更高的功率。

EPC 在此基础上进一步开发了三相封装，将三个半桥集成在一个高效散热的封装中。这一结构与无刷直流电机的标准三相设计高度匹配，使电路板更小、设计更简单。器件背面处于接地电位，可直接安装散热片而无需绝缘层，从而进一步提升热效率（图 2）。

EPC33110 是一款高性能三相电机驱动模块，采用单片集成的GaN 半桥和集成式栅极驱动器，专为无人机、机器人及人形系统中的 BLDC 电机设计。其支持最高 80 V 输入电压，每个 GaN FET 具有极低的8.7 mΩ 典型 R_DS(on)，实现高效率与高速开关。逻辑电平输入（兼容 3.3 V / 5 V）简化了控制设计。紧凑的6 × 6.5 mm QFN 封装提供优异的热性能和高功率密度。该模块支持最高 100 kHz 的 PWM，每相可输出最高 20 A_RMS，在减小系统尺寸和重量的同时提升动态响应。

迈向单片化电机驱动集成

如果说 GaN 的第一代封装在系统功率密度方面实现了重大飞跃，那么下一代产品则将集成度提升到了全新高度。EPC 计划于 2026 年推出的第三代器件，采用公司最新的 GaN FET 技术，在更小的空间内集成更多功能。

每个模块尺寸仅为 3 × 3 mm，却可承载高达 35 A 的电流，并集成过流、过温保护、防直通以及低静态电流等安全特性。芯片与封装基板之间的直接热连接，确保即使在高功率密度条件下也能迅速散热。

下一项重大突破被称为 “Trinity”，其将三相电机的全部功率级集成到单一 GaN 芯片上。这意味着电机驱动系统可以封装在一个极小的器件中，只需连接控制器和传感器即可工作。EPC 实验室的初步测试表明，该架构可在一块信用卡大小的电路板上控制多个机器人运动轴（图 3）。

跨应用扩展创新

尽管该技术最初面向人形机器人和协作机器人设计，但同样可以自然扩展到其他电池供电系统。轻量化、高效率的 GaN 驱动器在无人机、电动自行车以及高精度工业自动化领域同样具有重要价值。这些优势——更小的体积、更高的效率和更长的使用寿命——能够直接迁移到不同平台。

EPC 的模块化发展路径展示了 GaN 创新如何从尖端机器人领域逐步扩展至更广泛的市场。Lidow 总结道：“你从金字塔的顶端入手，为最具挑战性的应用开发真正优秀的解决方案，最终这些技术就会逐步渗透到所有其他直流电机应用中。”

开启性能新时代

随着系统变得更快、更灵活、更具自主性，其功率级也必须随之演进。GaN 器件的开关速度可比同类硅 MOSFET 快一个数量级，使系统能够在更高频率下运行，从而降低损耗并提升整体效率。这种高速能力还使得可以用小型、可靠的陶瓷电容替代笨重的电解电容，降低重量并提升人形机器人和无人机等紧凑平台的可靠性。此外，GaN 的零反向恢复电荷特性消除了体二极管反向恢复损耗及相关热应力，并允许将死区时间从数百纳秒缩短至仅数纳秒，从而减少失真、提高单位电流扭矩并降低噪声。GaN 正成为驱动下一代运动系统的首选半导体技术——从人形机器人关节到无人机推进系统。

本文发表于 EE Power。

Maurizio Di Paolo Emilio, Director of Global Marketing Communications at EPC