GaN：数据中心与人形机器人的关键功率半导体

随着人工智能、数据中心和人形机器人等新兴应用快速发展，功率电子系统正面临前所未有的效率、体积和可靠性挑战。在这一背景下，氮化镓（GaN）凭借其高频、高效率和高功率密度优势，正在成为低压至中压功率转换领域的核心技术之一。

在摩纳哥举行的博多电力系统宽带隙论坛以及慕尼黑 Bodo 大会上，EPC 创始人兼首席执行官 Alex Lidow 多次强调：GaN 正在重塑负载点电源、数据中心电源架构以及机器人运动控制系统，是当前低电压、高频应用的理想选择。

GaN 与 SiC 的分工日益清晰

从应用电压角度来看，宽禁带半导体已经形成了清晰分工

• 碳化硅（SiC）：依然是高压、大功率场景（如电网、轨道交通、电动汽车主驱）的首选；

• 氮化镓（GaN）：在 100V 以内至数百伏的低压、高频系统中展现出明显优势，尤其适合 AI 数据中心、自动驾驶、激光雷达以及人形机器人等应用。

Lidow 指出，GaN 的最大竞争力并不仅仅来自性能，更来自系统级成本优势。

成本与尺寸优势推动 GaN 快速普及

EPC 早在 2014 年就预测 GaN 器件成本将与硅 MOSFET 持平，并在 2015 年实现了这一目标。GaN 的核心优势之一是显著的“芯片尺寸红利”：

• 在相同性能条件下，GaN 器件芯片面积可比硅 MOSFET 缩小约一个数量级；

• 虽然单片晶圆成本更高，但更小的芯片尺寸带来了更低的系统物料成本（BOM）；

• 更高的开关频率进一步减少了磁性元件和被动器件体积。

正因如此，GaN 在近十年前就已经率先进入高性能低压应用市场。

48V 数据中心成为 GaN 增长最快的市场

在数据中心领域，48V 架构正在迅速取代传统 12V 分配系统，以降低铜损并提升整体效率。GaN 的高频和高功率密度特性，使其成为 48V 背板和中间总线转换器的理想选择。

Lidow 展示了一款基于 GaN 的数据中心解决方案：

• 输入/输出：800V → 12V

• 功率等级：6 kW

• 厚度：仅 8 mm

• 效率：高达 98%

该方案采用兆赫兹级交错式 GaN 拓扑，充分体现了 GaN 在高功率密度场景下的系统级优势。

封装与可靠性：GaN 走向成熟的关键

在器件架构方面，低压 GaN 已全面转向 增强型（E-mode）单片设计，简化了驱动和系统集成。

EPC 在封装技术上的演进同样关键：

• 早期芯片级封装具备极低寄生参数，但在机械可靠性方面存在局限；

• 采用 PQFN / QFN 封装后，器件在寄生参数、散热路径和热机械应力吸收方面实现了平衡；

• 稳定的热机械设计成为宽禁带器件长期可靠运行的决定性因素。

得益于强原子键结构和成熟制造工艺，GaN 器件在过载和高温条件下表现出极强的可靠性。

人形机器人：GaN 驱动的下一个爆发点

在人形机器人领域，GaN 被认为是推动机器人革命的关键技术之一。随着全球老龄化加剧和劳动力短缺，具备高灵活性和自主能力的人形机器人正在从概念走向商业化。

一个典型的人形机器人往往集成 40 个以上无刷直流（BLDC）电机，用于驱动手指、关节、手腕和膝盖等部位。这对功率电子系统提出了严苛要求：

• 高功率密度

• 快速动态响应

• 低损耗、低发热

• 轻量化与高可靠性

这些正是 GaN 的优势所在。

GaN 在电机驱动中的技术优势

大多数人形机器人采用 48–60V BLDC 电机，这正好处于 GaN 器件的最佳工作区间。与传统硅 MOSFET 相比，GaN 在电机驱动中具备显著优势：

• 零反向恢复电荷，消除体二极管恢复损耗；

• 极快的开关速度，可将死区时间缩短至几十纳秒；

• 支持 高达 100 kHz 的 PWM 频率，提升扭矩响应并减小系统体积；

• 允许使用高可靠性的陶瓷电容器，替代体积庞大的电解电容器。

这些特性显著降低了损耗、噪声和热应力，提高了系统效率和寿命。

GaN 功率模块的集成化演进

EPC 在机器人电机驱动领域持续推进模块化和高集成设计：

• 从早期的芯片级半桥模块，发展到易用性和散热性能更佳的 QFN 封装；

• 进一步推出三相 GaN 模块，将三个半桥集成于单一封装中；

• 典型产品如 EPC33110，支持 80V 输入、电流高达 20 ARMS，并支持 100 kHz PWM。

这些模块在尺寸更小的同时，提供了不逊于甚至优于传统 MOSFET 方案的功率能力。

迈向单片集成的未来

下一阶段，GaN 正朝着 单片电机驱动集成 演进。EPC 计划于 2026 年推出的新一代产品，将在 3 × 3 mm 的封装内集成 FET、驱动与多重保护功能，并实现更高的电流密度。

更具突破性的“Trinity”架构，将三个电机相位全部集成到单一 GaN 芯片中，使电机驱动系统趋近于即插即用。这种高度集成方案不仅适用于人形机器人，也适合无人机、电动自行车和工业自动化等电池供电系统。

结语：GaN 正在加速改变功率电子格局

从 AI 数据中心到人形机器人，从负载点电源到高动态电机驱动，GaN 正在低压高频领域展现出不可替代的优势。随着成本持续下降、技术不断成熟以及系统架构的重构，GaN 有望从高端应用逐步渗透至更广泛的直流电机和电源市场。

正如 Alex Lidow 所总结的那样：从金字塔顶端开始，真正优秀的技术，最终会走向所有应用场景。

关于晶沐光电

作为第三代半导体材料领域的专业供应商，晶沐光电可稳定供应 2–4 英寸氮化镓（GaN）单晶衬底，产品适用于功率器件、射频器件及相关外延应用。公司致力于为客户提供高品质的宽禁带半导体材料解决方案，助力新一代功率电子与智能系统的发展。