作者：Maurizio Di Paolo Emilio

全文最初发表于 EPDT

功率电子的发展历史一直呈现出一种可预见的节奏：材料极限、架构转变，以及一种新的半导体平台重新定义行业预期。如今，这一转变正在再次发生，这一次的主角是氮化镓（GaN）。

在最近TechSimplified TV的一期半导体播客访谈中， 宜普电源转换公司（EPC）首席执行官兼联合创始人、HEXFET功率MOSFET共同发明人Alex Lidow，从长远角度深入阐述了GaN如何改变高效功率转换的未来。他传达的信息清晰而直接：

“硅正在后继乏力，而当这种情况发生时，就必须有新的技术来接替它。这就是氮化镓。”

这不仅是一项技术现实，也代表着一种战略转变，而这种转变如今已经体现在 AI基础设施、机器人、卫星、消费类快速充电以及新兴电气化平台等多个领域。

为什么氮化镓改变了游戏规则

GaN的优势始于原子层面。与硅相比，镓与氮之间更强的化学键使其成为一种更宽禁带的材料，能够承受更高的电场并支持更快的开关操作。

正如Lidow所解释的：“由于化学键更强，氮化镓可以承受更高的电场。这意味着功率器件可以做得更小、更快，而且效率更高。”

与硅器件不同，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）利用在AlGaN/GaN界面形成的二维电子气（2DEG）。这使其在不牺牲可靠性的情况下，实现卓越的载流子迁移率和开关性能。

由此形成了一种特别适合高频、高密度功率转换架构的材料平台，而这正是现代计算、机器人和电气化生态系统所需要的。

由于EPC GaN器件采用硅衬底并利用标准半导体制造基础设施进行生产，因此兼具宽禁带性能和可规模化制造的经济优势。这使工程师能够实现远超硅MOSFET极限的开关频率，同时减小系统尺寸、磁性元件体积和热应力，并降低成本。

从硅MOSFET主导到GaN转型

近五十年来，硅功率MOSFET一直主导着功率转换领域。然而，在高密度应用中，其扩展极限正变得越来越明显。

Lidow表示：“氮化镓已经证明，在功率传导的每一个性能维度上，它都优于硅器件。”

不过，半导体基础设施的转型很少会一夜之间完成。相反，它们通常经历由应用驱动的一波又一波采用周期。从历史来看，即使MOSFET在技术上已经更先进，双极型晶体管仍然继续存在了很长时间。随着GaN逐步在新的系统架构中取代硅，而不是简单替换传统平台中的器件，同样的模式很可能再次出现。

这种转变已经体现在：

• AI电力传输网络
• 无人机
• 汽车、服务器和机器人中的48 V系统
• 机器人电机和执行器
• 卫星电子系统

48伏节点：一个战略性转折层级

推动GaN加速采用的一个最重要因素，是向48 V架构的迁移。48 V中间总线最初由超大规模计算和电信基础设施推动，如今正在扩展到机器人、汽车子系统、无人机、电动自行车和电动工具。

Lidow强调：“如果你使用48伏，那么GaN的表现遥遥领先。”

这一电压范围是GaN横向器件结构同时优于硅MOSFET和碳化硅替代方案的理想工作区间。

EPC已经针对这一电压范围，对多代GaN器件进行了战略性优化。例如 EPC23XX 系列器件可实现极低的开关损耗，并支持高频运行，从而显著缩小无源元件的尺寸。

这一能力直接支持下一代AI服务器电力传输网络，因为在这些系统中，电路板空间和散热预算正在成为主要限制因素。同时，同样的架构优势也适用于需要紧凑、高效率电机控制级的新型机器人执行平台。

EPC的参考设计用非常具体的工程指标验证了这一设计思路。 EPC9159 工作于48 V→12 V转换级，峰值效率约为98%，同时重点实现更高的功率密度。这表明，对EPC而言，这不仅仅是对架构原理图的理论讨论，而是涉及具体电路板级解决方案、具体功率等级和具体效率范围的实际工程问题。

在48 V下，GaN不仅仅能够与硅MOSFET竞争，它还能够实现此前在分布式电源系统中被认为难以实现的全新转换器功率密度目标。

图1：EPC9159KIT变压器模块，尺寸22.8 x 17.5 x 9 mm

杀手级应用原则

每一种颠覆性的半导体技术都需要一个传统器件无法高效实现的突破性应用。对于GaN而言，第一个主要的大批量应用推动力就是激光雷达（LiDAR）。

正如Lidow解释的：“没有GaN就无法实现的是激光雷达。能够极其快速地切换非常大的电流，是其中的关键。”

这一能力推动了高分辨率传感系统的发展，而这些系统对于自主平台和工业感知系统至关重要。激光雷达是最早证明GaN具备硅器件无法匹敌能力的应用领域之一。高分辨率飞行时间传感需要极快的电流脉冲、精确的时序控制以及极低的开关损耗，而这些条件非常适合横向GaN器件。

其中一个例子是 EPC2051，这是一款高性能增强型GaN FET，针对汽车和工业激光雷达平台中的脉冲激光驱动器等超高速开关环境进行了优化。这类器件凭借极低的寄生电容支持非常高的di/dt转换，与基于硅的解决方案相比，可实现更远的探测距离、更高的空间分辨率以及更紧凑的驱动器架构。

EPC GaN技术可实现纳秒级开关特性，使设计人员能够减少脉冲失真并提高系统效率，而这两个参数可直接转化为更长的感测距离以及在复杂环境条件下更好的目标辨别能力。

随着激光雷达从自动驾驶汽车扩展到机器人感知、工业安全系统以及精密测绘平台，EPC2051等器件继续证明了为什么GaN已经成为当今光学传感架构中的关键开关技术。

图2：  EPC9091：100 V、5 A半桥开发板。EPC9091开发板尺寸为2” x 2”，采用两个 EPC2051 eGaN FET构成半桥配置，并使用uPI Semiconductor Corp.的 uP1966E 栅极驱动器。

太空应用：抗辐射能力成为差异化优势

对于卫星电源架构，尤其是长期任务和深空平台而言，辐射暴露仍然是一项主要的可靠性限制因素。据Alex Lidow介绍，GaN的优势从材料层面就已经开始显现：

“氮化镓承受辐射的能力比硅高出多个数量级。”

与传统硅MOSFET不同，GaN器件并不依赖于会在电离辐射下捕获电荷的薄栅极氧化层。因此，它消除了影响轨道环境中开关稳定性的一个主要退化机制。

同样重要的是，GaN对地球大气层之外遇到的多种辐射类型都表现出很强的耐受能力：

“氮化镓能够抵抗高能电子，对质子轰击的耐受能力远高于硅，甚至重离子的影响也小得多，因为镓和氮之间的化学键比硅晶体中的化学键更强。”

对于现代卫星星座而言，质量、效率和可靠性都会直接影响任务经济性，而GaN的高频开关能力还能够实现更小的磁性元件以及更轻的功率模块。

综合来看，抗辐射能力与功率密度方面的 优势解释了为什么GaN 正在快速进入主流的航天级电源架构。

AI基础设施：新的规模化驱动力

人工智能基础设施正在迅速成为推动氮化镓在功率电子领域加速采用的最强驱动力。随着一代又一代GPU不断提高计算密度，限制因素已不再只是处理器内部的晶体管扩展，而是处理器外部的电力传输。

现代加速器平台要求在不断缩小的电路板空间内提供大幅提高的电流水平。在这种环境下，开关频率和效率不再只是渐进式改善，而是成为系统级的关键使能因素。

正如Lidow所解释的：

“功率需求非常巨大，而功率密度方面的要求更加严峻。”

传统硅MOSFET解决方案难以持续达到先进处理器附近紧凑型多相电压调节模块所需的开关速度。相比之下，GaN能够实现MHz级开关频率，缩小无源元件尺寸，并改善AI工作负载快速变化时的瞬态响应。

这一转变已经在超大规模服务器架构中显现。

“我们已经从‘也许硅还能做到’，发展到了现在没有人能够再想出硅要如何做到。”

随着AI机架功率继续提高，GaN正在从单纯的性能升级，逐步成为下一代数据中心电力传输网络所必需的平台。

随着超大规模和AI服务器向800 V DC配电架构发展，对小型、高效率隔离转换器的需求也在增加。近期的一种GaN解决方案表明，级联输入/输入串联输出并联（ISOP）架构能够以高功率密度和可扩展性，将800 V（或±400 V）转换为50 V、12 V和6 V等低压电源轨，并可实现MHz级开关和多千瓦功率性能。这款800 V – 12 V设计在初级侧采用EPC2305（150 V GaN）器件，在次级侧采用EPC2366（840 µΩ GaN）器件。两者均采用小型QFN封装。该参考设计的峰值效率超过98%，占板面积小于5000 mm²，厚度仅为8 mm。

图3： EPC91123 – 6 kW 800 V至12.5 V ISOP GaN转换器评估板

机器人：紧凑型电源赋能智能运动

机器人是氮化镓技术在长期发展中最具结构性意义的增长驱动力之一。与固定式基础设施平台不同，移动机器人系统对重量、体积和能源效率都有非常严格的限制。

人形机器人内部的每个执行器（例如电机驱动器）都包含一个本地化功率转换级，而当几十个关节的影响累积起来时，这些因素就会对整个系统的自主运行能力产生决定性影响。

正如Alex Lidow所指出的：

“一个人形机器人拥有大约40个执行器，而GaN器件不仅能够提高这些执行器的效率，还可以将其体积缩小到大约十分之一。”

这种缩减绝不是渐进式改善，而是会直接影响电池续航时间、热管理和机械集成策略。同样的架构优势也适用于手术机器人和先进假肢平台，在这些应用中，紧凑的电机驱动电子系统能够改善运动精度和响应速度。

随着机器人平台朝着更高灵巧度和更长工作周期发展，能够同时实现效率和小型化的开关技术，例如GaN，正逐渐成为执行器设计中的基础性技术，而不再只是可选方案。

图4：用于人形机器人的电机控制解决方案

碳化硅和GaN：互补而非竞争

氮化镓并不是唯一正在改变功率电子行业的宽禁带半导体。碳化硅也处于类似的采用曲线上，但主要面向更高的电压等级。

正如Lidow总结的：“在大约650伏以上，碳化硅是更好的解决方案。

这种差异反映了两种材料在结构上的不同。氮化镓器件通常采用横向结构，因此在650 V以下的架构中效率极高，而碳化硅更适合采用垂直导电结构，更适用于牵引逆变器和高压功率转换系统。

这两种技术并非直接竞争，而是在整个电气化基础设施中形成各自互补的工作领域。

GaN正在为中间总线架构、机器人平台和AI电力传输网络提供小型、高频开关级。

相比之下，碳化硅正在越来越多地取代IGBT，用于大功率汽车牵引系统和电网级功率转换设备。

两者共同构成下一代宽禁带功率电子的基础。

电动出行

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）都将在电动出行领域发挥重要但不同的作用。现代电动汽车还配备越来越多过去由机械方式驱动的辅助负载，例如空调压缩机、泵以及其他曾经由发动机皮带驱动的附件。如今，这些功能正在实现电气化，并且越来越多地在现代电动平台中标准化采用 48 V 总线。

Lidow表示：“48 V领域正是GaN真正发挥优势的地方。” EPC已经专门针对48 V应用优化其GaN器件，而他认为，在48 V功率级中，无论效率、功率密度还是尺寸，GaN都难以被超越。因此，SiC将主导电动汽车中的高压牵引驱动，而GaN将在48 V辅助系统和功率转换子系统中占据越来越大的份额。

剩余的瓶颈：磁性元件

下一代功率转换中最重要的限制因素之一，已经不再是半导体器件本身，而是其周围的无源元件。

随着开关频率从数百千赫兹迈向MHz范围，传统磁性元件正在成为限制转换器进一步缩小的因素。正如Lidow所指出的：

“磁性元件是针对数百千赫兹设计的。但使用GaN后，人们希望进入兆赫兹范围。”

更高的开关频率可以实现更小的电感器、更低的电容需求、更快的瞬态响应以及显著更高的功率密度。然而，如果磁性材料和封装技术不能同步进步，系统设计人员就无法充分利用GaN的性能潜力。

对于无源元件生态系统而言，这并不是一个限制，而是一个重大的创新机遇。

超越GaN：未来的宽禁带材料

包括氧化镓、氮化铝和金刚石在内的多种新兴材料，正在作为潜在的下一代宽禁带平台受到关注。

它们的理论性能极限令人印象深刻，尤其是在超高压应用方面。然而，仅有材料性能并不足以推动大规模采用。制造基础设施以及系统级应用价值仍然是决定性因素。

正如Lidow所指出的：“一种新的半导体技术要获得广泛应用，仍然需要一个杀手级应用。”

就目前而言，氮化镓距离其自身的理论极限仍有很大的发展空间。凭借与硅制造基础设施的高度兼容性，以及在AI、机器人和太空系统中不断扩大的应用，GaN仍拥有很长的创新发展空间。

给下一代工程师的信息

技术变革更有利于那些能够预见变化的工程师，而不是追赶变化的人。Lidow最后总结道：

“不要追随今天最流行的选择。去追逐未来。”

这正是氮化镓所带来的机遇。宽禁带功率转换正在重塑现代系统中的能源处理方式，从 AI基础设施 和 机器人 到航空航天电子系统和分布式电气化平台。

对于今天刚进入这一领域的新一代工程师而言，信息非常明确：下一波重大影响不会来自渐进式优化，而会来自那些能够实现全新架构的技术选择。

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