在摩納哥舉行的 Bodo Power Systems 寬能隙論壇上，EPC 創辦人暨執行長 Alex Lidow 憑藉其五十年電力半導體經驗，為 GaN 的討論定下基調，強調了氮化鎵（GaN）的顯著優勢。與來自德州儀器（Texas Instruments）、Navitas、英飛凌（Infineon）、東芝（Toshiba）、福斯汽車（Volkswagen）及三菱（Mitsubishi）的專家同台交流時，他將 GaN 定位為低電壓、高頻系統的最佳選擇——應用範圍涵蓋 AI 資料中心、人形機器人、自駕車以及 LiDAR。儘管 SiC 仍是高電壓應用的首選，Lidow 指出，GaN 已是一項具備成本效益、正在重塑負載點（PoL）電源的技術——而且遠不止於此。

Lidow 指出 GaN 在成本上的關鍵交會點，表示 EPC 早在 2014 年便預測 GaN 將與矽達成成本持平，並於 2015 年實現。他談到所謂的「晶粒尺寸魔法」：同類型的 GaN 元件尺寸約僅為矽 MOSFET 的十分之一。這雖提高了晶圓成本，但最終產品的整體成本反而更低。正是這項特性，使 GaN 在近十年前便開始被廣泛採用，尤其是在對高效能需求迫切的低電壓應用領域。

Lidow 指出，首批 100 V GaN 元件於 20 年前推出，原因在於客戶當時最需要更快、更小型的解決方案。這項策略至今依然成立：「隨著第七代產品的推出，我們已深入負載點轉換器領域，運行於更高的 MHz 頻率。而且，電壓愈低，市場規模就愈大。」他特別強調 48 V 資料中心背板是成長最快的機會之一。

在元件架構方面，Lidow 確認低電壓應用已逐步整合至增強型（e-mode）GaN 架構：當前功率開關趨向於單晶片 e-mode 設計，相較於疊接式或高電壓下的直接驅動方案，大幅簡化了系統整合。

Lidow 回顧了 EPC 的封裝發展歷程，指出早期的晶片級封裝元件具備超低寄生電感、低導通電阻及優異的熱效能，但其脆弱性與剛性端子最終限制了應用普及。透過轉向 PQFN 封裝，這些問題得以解決。緊密的內部佈局有效降低寄生效應，背面提供強大的散熱路徑，而封裝本身也能吸收熱機械應力——這正是寬能隙元件唯一真正的老化機制。

依 Lidow 所述，穩健的熱機械設計最終決定了寬能隙元件的可靠度。在設計得當的情況下，GaN 強韌的原子鍵結使其能有效承受過載，而先進製程則可將外部缺陷降至最低。他將這些特性與重要的技術進展連結，指出 GaN 在 LiDAR、AI 基礎設施供電以及機器人馬達驅動中的角色，正日益顯示其對社會的深遠影響。

Lidow 也重點介紹了一項資料中心解決方案：一款800 V 至 12 V、6 kW 的轉換器，厚度僅 8 mm，效率高達 98%，透過在 MHz 等級下運行的八層交錯 GaN 架構實現。他指出，在電壓分攤拓撲中，電感並聯更為容易；高電壓則較適合串聯，而功率擴展則以並聯效果最佳。他呼籲業界重新思考既有設計，以因應這種新的堆疊方式。

他進一步強調第七代 GaN 元件的成熟度，其電流密度可達每平方毫米 180 萬安培，甚至超越銅材，這也迫使系統設計思維必須轉變。與談專家一致認為，隨著 AI 推動電力系統邁向兆瓦級規模，在低功率密度應用領域，GaN 依然無可匹敵。隨著成本趨於持平、機櫃層級效率提升逐漸實現，Lidow 認為 GaN 正沿著一條加速且不可阻擋的軌跡前進（圖 1）。

GaN 功率級推動下一代人形機器人

隨著 AI 與自主系統不斷突破技術極限，一種全新的機器正在誕生：能以近似生命方式運動的人形機器人。GaN 正為這些系統提供所需的小型化、高功率電源。

EPC 執行長 Alex Lidow 於慕尼黑 Bodo 活動的主題演講中表示，GaN 是機器人革命的關鍵。他說：「二十年後回顧今天，我們會稱這個時代為 AI 與機器人時代。GaN 在效能方面真正大放異彩。」

多位分析師指出，在未來幾年內，人形機器人市場預期將快速成長，其動力來自對運算能力與電力電子技術的需求，這些技術需支援更高層級的整合度與效率。隨著社會高齡化與出生率下降，特別是在已開發國家，對自動化勞動力的需求日益迫切。人形機器人正逐漸成為解決工業與服務業勞動力短缺的可行方案。目前的限制因素在於成本，以及涵蓋硬體與軟體的設計挑戰，包括程式設計、適應能力與從各種不可預期情境中學習的能力。克服這些挑戰，將使機器人得以融入日常生活與工作。

馬達是每一台機器人電力電子系統的核心。人形機器人通常使用無刷直流（BLDC）馬達來驅動身體各部位。一台典型機器人往往擁有超過 40 顆馬達，分別驅動手指、膝關節等部位。這些馬達的能量需求取決於其功能。上述進展皆仰賴高效率、小型化且高可靠度的先進電力電子技術，而這正是 GaN 功率電晶體與整合電路（IC）發揮作用的關鍵。

根據 2025 年產業分析引用的一份美國銀行報告，到 2030 年，人形機器人年銷量可能達 100 萬台，並於 2060 年擴展至高達 30 億台在役——幾乎每三人就擁有一台。此爆炸性成長與高盛對 2035 年全球人形機器人市場規模達 380 億美元的預測一致，預計將部署 300 萬至 2700 萬台，特別用於高風險作業以保護人類勞工。在高齡化、勞動力短缺與 AI 技術進步的推動下，這些預測凸顯了工業、服務及消費應用對多功能人形平台的強勁需求。

GaN 有助於系統小型化、降低能量損耗，並在極端溫度下維持良好效能。氮化鎵在人形機器人中的主要應用包括旋轉致動器、靈巧手、線性致動器、智慧感測、AI 與控制系統，以及電池與充電器。最新的 GaN 功率 IC 將 FET、驅動器與保護功能整合於單一元件，使即插即用的致動模組設計更為容易，這在使用分離式 MOSFET 時往往難以實現。

現代馬達驅動架構中 GaN 的優勢

多數人形機器人採用工作電壓約 48–60 V 的無刷直流（BLDC）馬達——這正是 GaN 最具優勢的電壓範圍。這些馬達必須在降低重量與發熱的同時，提供高扭矩與快速反應。

傳統矽 MOSFET 雖然可靠，但在此電壓範圍內容易受到較高開關損耗與體二極體反向恢復的限制。在以 MOSFET 為基礎的驅動中，為避免上下管直通而設定的死區時間，會使該期間由體二極體或通道導通主導，導致失真與損耗增加。常見誤解是延長死區時間可降低二極體損耗，但實際上反向恢復並不會因此消失：它發生於死區之後，且僅在硬切換期間出現，取決於相位換向時的馬達電流方向。結果是在死區期間產生不必要的體二極體導通，進而增加損耗並降低效率。在典型設計中，死區時間甚至可能佔交流週期的 6%。

由於 GaN 元件具備零反向恢復與極高速切換能力，設計人員可將死區時間安全地縮短至數十奈秒，大幅降低死區相關的失真與損耗，同時仍可避免直通。在高達 100 kHz 的頻率下運行 BLDC 馬達（相較於傳統 20 kHz 上限），可在扭矩響應、尺寸縮小與可靠度方面帶來明顯提升。

從電解電容到陶瓷電容

高頻運作的一項隱性優勢，是能以小型、可靠的陶瓷電容取代體積龐大且可靠度較低的電解電容。電解電容在高溫下易劣化，且在振動或機械應力下可能失效，而這在行動型機器人中相當常見。GaN 支援更高切換頻率，使工程師能設計出更小、更輕、更耐用，且能在高溫環境中表現更佳的驅動系統。

GaN 功率模組的演進

EPC 最初透過晶片級 GaN 半橋模組切入機器人市場，服務早期使用者。其成功催生了第二代產品，採用 QFN 封裝，使操作更容易且熱管理更佳。Lidow 指出：「大多數馬達驅動應用屬於低產量、工程密集型」，而工程師通常不偏好難以處理的晶片級元件。

隨著工程師開始在機器人致動器（如手臂、肩部與手腕）中採用這些模組，其效能與實用性的結合促成了廣泛採用。事實上，現今許多人人形機器人設計已在肢體馬達中使用 GaN 驅動器。這些驅動器通常比其取代的 MOSFET 電路板更小，卻能提供相同甚至更高的功率。

EPC 進一步在此基礎上開發三相封裝，將三個半橋整合於單一高效率散熱封裝中。此配置與無刷直流馬達的標準三相設計相符，使電路板更小、設計更簡化。元件背面為接地電位，可直接安裝散熱片而無需絕緣層，進一步提升熱效率（圖 2）。

EPC33110 是一款高效能三相馬達驅動模組，採用單晶片GaN 半橋與整合式閘極驅動器，專為無人機、機器人與人形系統中的 BLDC 馬達設計。其支援最高 80 V 輸入，每顆 GaN FET 具備極低的8.7 mΩ 典型 R_DS(on)，實現高效率與高速切換。邏輯電平輸入（相容 3.3 V / 5 V）簡化控制。緊湊的6 × 6.5 mm QFN 封裝提供優異的熱效能與高功率密度。該模組支援最高 100 kHz PWM，每相可輸出最高 20 A_RMS，在縮小系統尺寸與重量的同時提升動態響應。

邁向單晶片馬達驅動整合

若說 GaN 的第一代封裝在系統功率密度方面帶來重大突破，下一代產品則將整合度提升至全新層級。EPC 預計於 2026 年推出的第三代元件，採用最新 GaN FET 技術，在更小空間內整合更多功能。

每個模組尺寸僅 3 × 3 mm，卻可承受高達 35 A 電流，並內建過電流、過溫保護、防直通及低靜態電流運作等安全機制。晶粒與封裝基板的直接熱連結，確保即使在高功率密度下也能迅速散熱。

下一項重大里程碑稱為「Trinity」，其將三相馬達的所有功率級整合於單一 GaN 晶片上。這意味著馬達驅動器可封裝於一個極小元件中，只需連接控制器與感測器即可。EPC 實驗室的初步測試顯示，該架構可在小於信用卡尺寸的電路板上控制多個機器人運動軸（圖 3）。

跨應用擴展創新

儘管該技術最初針對人形與協作型機器人設計，但同樣自然延伸至其他電池供電系統。輕量化、高效率的 GaN 驅動器在無人機、電動自行車及高精度工業自動化中同樣極具價值。這些優勢——更小體積、更高效率與更長壽命——可直接套用於不同平台。

EPC 的模組化發展路徑展示了 GaN 創新如何自尖端機器人領域逐步擴散至更廣泛市場。Lidow 總結道：「你從金字塔頂端著手，為最具挑戰性的應用打造真正優秀的方案，最終這些技術就會逐步滲透到所有其他直流馬達應用中。」

啟動效能新時代

隨著系統變得更快速、更靈活且更具自主性，其功率級也必須同步演進。GaN 元件的切換速度可比同級矽 MOSFET 快一個數量級，使系統能以更高頻率運作，降低損耗並提升整體效率。這種高速能力亦允許以小型、可靠的陶瓷電容取代笨重的電解電容，減輕重量並提升人形機器人與無人機等緊湊平台的可靠度。此外，GaN 的零反向恢復電荷特性消除了體二極體反向恢復損耗及相關熱應力，並可將死區時間由數百奈秒縮短至僅數奈秒，進而降低失真、提升單位電流扭矩並減少噪音。GaN 正成為驅動下一代運動系統的首選半導體技術——從人形機器人關節到無人機推進系統。

本文發表於 EE Power。

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