人形机器人，为什么离不开氮化镓？

人形机器人 ，如今正逐步成为多行业自动化领域的可行方案。据EEWorld从高盛研究数据中获悉，2025 年全球人形机器人出货量达 1.5 万～2 万台，未来十年预计将保持超过 40% 的强劲 复合年均增长率 （CAGR）。推动这一增长的因素包括： 运动控制技术 持续优化，设计迭代周期缩短至一年以内；AI 自训练软件的应用；以及供应链选择增多带来的成本下降。人形机器人的核心应用领域包括：工业自动化、仓储物流、家庭辅助、医疗健康及农业。

上图为人形机器人电源架构的简化框图。电池通常采用低于 60V 的安全特低电压（SELV）。

系统常用 48V 母线电压，这是兼顾更低损耗、更轻设备重量的最高安全电压。DC/DC 转换器用于为栅极驱动器、伺服机构、传感器及控制器提供所需电压。 电池管理系统 （BMS）负责电芯监测与安全保障。目前已开发出支持自主充电或自动换电的人形机器人，可有效减少停机时间，提升运行效率。

逆变器为电机提供交流电。栅极驱动器、逆变器、电机与电机控制器构成紧密耦合的系统，可协同优化。系统通常采用 永磁同步电机 （PMSM），运行更平稳、控制更精准。

驱动电路的小型化可实现电机集成驱动方案—— 电机及其驱动、检测电路集成于同一封装。这能降低线缆损耗与寄生电感，提升系统动态响应。人形机器人不同部位的功率需求各异：

手腕 / 手部：功率较低，通常 10W～100W。 自由度 （DOF）决定可实现的运动类型。人类手部约 27 个自由度，商用机器人手部通常约 6 个自由度。特斯拉 Optimus 等先进机器人手臂已实现约 25 个自由度。高自由度机器人需搭载大量电机，因此电机与驱动电路的体积至关重要。更低的转矩纹波可带来更精准的运动，而这依赖逆变器更高的开关频率。

脚踝 / 颈部 / 肩部：功率 100W～300W，体积要求相对宽松。

肘部：功率 1kW～2kW，散热性能与安全性为关键指标。

膝盖 / 髋部 / 髋 中 关节：功率需求最高，2.5kW～5kW。重点关注功率效率、散热与功能安全。快速开关可提升系统转矩、减小电流纹波。

出于安全考虑，机器人外壳温度一般需低于 55℃。除高端系统外，机器人通常无法采用主动散热，因此逆变器满负载下的器件温升是重要设计考量。

GaN HEMT 在人形机器人逆变器中的优势

相较于硅基 MOSFET，GaN HEMT 在人形机器人电机驱动逆变器中具备多项优势：

开关速度提升 10 倍以上，允许电机工作在更高频率，减小电机绕组与铁芯损耗，提升系统整体效率。

更高频率降低转矩纹波，拓宽转矩控制带宽，实现更平滑、精准的电机控制。

氮化镓更优的品质因数（FoM）大幅缩小体积，便于在空间受限场景中开发集成电机驱动。

增强型氮化镓器件无反向恢复电荷（QRR），降低损耗并缩短死区时间，提升每安培转矩输出，降低系统噪声。

氮化镓高频、低损耗特性可降低相同负载电流下的电机温度，满足被动散热需求。

高频工作可省去大容量电解电容，改用体积更小、可靠性更高的陶瓷电容。

更高效率与更小体积、重量，可延长机器人续航时间。

面向人形机器人的氮化镓解决方案

EPC

EPC 是增强型氮化镓分立器件与集成电路供应商，拥有覆盖人形机器人电机驱动需求的完整方案。

• 手腕 / 肘部 / 脚踝关节驱动

这类关节重点追求速度、精度与小尺寸。高 PWM 频率（>100kHz）与短死区时间是核心优势。EPC91122参考设计为三相永磁同步电机驱动逆变器，采用圆形板设计，外框 55mm，逆变器内板 32mm。该电路板便于集成到人形机器人关节中。

图：EPC91122 参考设计板顶视图（来源：EPC）

该尺寸可将逆变器直接置于电机定子腔体内，利用电机外壳作为散热器提升散热性能。EPC91122 集成完整电机驱动功能：离线稳压电源、直流电压检测、内置 30A 过流保护的电流传感芯片，以及用于转子位置与速度控制的板载磁编码器。

板载EPC33110 ePower 功率级芯片集成三个氮化镓半桥、栅极驱动、自举电路与电平转换，耐压 100V，典型导通电阻 8.7mΩ，采用 6×6.5mm QFN 封装，支持六路互补 PWM 与快速低电平关断。

单路 5V 输入即可驱动模块工作，最高支持 80V。EPC33110 每相额定电流 15A 峰值 / 10A 有效值。测功机测试显示：2 秒脉冲下可稳定工作至 20A 有效值，对应 1Nm/A 的电机可输出 20Nm 转矩。在 100kHz PWM、25ns 死区、自然对流散热条件下，可连续输出 13A 有效值，温升低于 50℃，如图 3 所示。顶冷封装是实现优异散热的关键。

图：EPC91122 在 100kHz PWM、自然对流与被动散热下的连续工作热性能（来源：EPC）

• 髋部 / 膝盖 / 肩关节

这些大转矩关节低速下峰值转矩超过 100Nm，需要大相电流、低导通电阻、高效率快速开关以降低损耗。该类应用通常采用功率器件并联满足大电流需求。

EPC9186HC2为 100A 有效值三相永磁同步电机驱动逆变器参考设计。EPC9186NC2每个开关位置并联两颗 EPC2361 氮化镓 FET，最大输出电流峰值 200A。EPC2361 为 100V 增强型氮化镓器件，最大导通电阻 0.75mΩ，采用 3×5mm QFN 顶冷封装，结至壳顶热阻仅 0.2℃/W，散热性能优异。

EPC 首席执行官Alex Lidow在接受《电力电子新闻》独家采访时表示：在人形机器人中，电机驱动是最关键的功率级之一，而氮化镓在此展现出明显优势。机器人本质上是精密电机的集合体，氮化镓可让驱动工作在100kHz 以上的开关频率，远高于传统 MOSFET 方案。在该频率下，设计师可省去大容量电解电容，大幅减小体积与重量。最终实现更平滑的运动、更高效率、更高可靠性与更长寿命。这些优势让氮化镓成为下一代机器人执行器的自然之选。

除了EPC之外，其他一些氮化镓供应商也十分看好人形机器人的发展。

英飞凌

在英飞凌《2026年GaN技术展望》中，预测7也提到了氮化镓在机器人中的应用。

英飞凌表示，2026 年，基于 GaN 的小型化集成电机控制电子器件将使机器人关节更紧凑、定位更精准。机器人技术处于机械工程、机器学习和功率电子技术的动态交汇领域，正在深刻改变各行各业及社会，从工厂与物流，到农业、医疗以及家庭应用。随着机器人技术的不断革新，其发展正从单纯的自动化，迈向物理 AI阶段，使机器人能够在现实物理世界中感知、思考和行动。这一转变使机器能够与人类和自主系统协同工作，并在复杂的环境中导航。

半导体在这一技术跃迁中扮演着重要角色，是机器人不可或缺的基础构成单元，赋予其“感知”、“决策”和“运动”能力，使其能够实现智能、安全、可靠的人机协作。这类应用离不开紧凑的设计和精确的功率管理，而这正是GaN的优势所在。因此，GaN技术发挥着关键作用，以人形机器人为例，GaN技术可通过更紧凑、更高效、性能更优的功率模块，实现精确的运动控制，即便在手肘、手部等空间受限的关键部位亦是如此。对于机器人工程师而言，GaN 技术有助于实现更轻量化的机器人、更长的运行时间、更高的机动性以及更优异的电机控制性能。同时，GaN 技术还能使机器人以更高的精度和效率完成各类任务。

在英飞凌展示的紧凑型GaN 1kW人形机器人手臂Demo中，采用了尖端组件，旨在提供超高功率密度的电机驱动。该解决方案集成了GaN功率级、TMR电流检测以及基于Arm Cortex-M33架构的微控制器等先进技术。其硬币大小的设计使其能够无缝集成到电机外壳中，有效降低辐射电磁干扰（EMI），并减少对大量布线的需求。

英飞凌的CoolGaN技术创新性地将栅极驱动器和晶体管集成于单个封装中，重新定义了电力电子技术，为电机驱动系统带来无与伦比的效率和紧凑性。CoolGaN显著降低了开关损耗，产生更纯净的开关波形，并缩短了死区时间，即使在严苛的条件下也能确保更高的运行性能和精度。

CoolGaN的优势远不止于效率，它正引领系统设计的革命。其更高的功率密度支持更小的功率级、更低的电容和更小的散热器，从而实现紧凑轻巧的设计，完美适用于机械臂和其他空间受限的应用。此外，它兼容更高的控制频率，改善了系统的动态响应，降低了高速电机中的电流纹波，并省去了笨重的电解电容器。这不仅提高了可靠性，而且通过使用分布式陶瓷电容器组还改善了EMI性能，从而实现了更平稳的电机运行和更高的系统效率。

借助CoolGaN，可以实现功率、精度和可靠性的平衡，从而为更清洁、更小巧、响应更灵敏的电机驱动系统铺平道路，带来卓越的体验。

德州仪器

EEWorld获悉德州仪器在《GaN FET 在类人机器人中的应用》中提到，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 。电机分布在机器人身体的不同部位，例如颈部、躯干、手臂、腿、脚趾等。该数 字不包括手部的电机。为了模拟人手的自由操作，单只手即可能集成十多个微型电机。这些电机的电源要求取决于所执行的具体功能；例如，驱动机器人手指的电机可能只需要数安培电流，而驱动髋关节或腿的电机可能需要 100 安培或更高的电流。

与传统伺服系统相比，类人机器人的伺服系统具有更高的控制精度、尺寸和散热要求。

• 更精确的控制

在伺服电机驱动应用中，电机控制通常分为几个控制回路层：电流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高级别的运动控制回路。这些回路通常以级联的形式排列，每个回路都有“实时”处理要求。电流/扭矩回路是速度最快的控制回路。每个上游回路以其之前回路的倍数运行，并为下游回路提供输入参考。下图显示了典型的级联控制拓扑。

• 典型的伺服电机控制回路技术

控制回路最重要的部分是电流回路。通常，FET 开关频率与电流回路相同，约为 8kHz 至 32kHz。电流回路的速度直接影响电机控制的精度和响应速度。类人机器人的一个简单动作涉及多个伺服电机的控制。为了协调机器人身体中的近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。可通过提高电机控制回路的速度和PWM频率来满足这些要求。例如，100kHz的开关频率可以实现分辨率更高的电机电流，从而实现更小的电机电流纹波和更精确的控制。高分辨率电机电流波形也意味着可以获得更好的正弦电流，这可以提高电机的运行效率并减少电机发热。

100kHz和10kHz PWM电机电流此外，增加PWM开关频率可以减小DC总线电容器的尺寸和电容。对于要替换为陶瓷电容器的电解电容器，需要满足的总线电容要求降低。伺服功率级FET通过PWM信号定期从总线电容器汲取电流。当PWM频率增加 时，每个单位时间消耗的电荷量减小，这意味着所需的总线电容减少。根据 TIDA-010936 的测试，将 PWM 频率从20kHz提高到80kHz后，可以用电容相等的陶瓷电容器代替电解电容器，以获得相似的总线电压纹波。与电解电容器相比，陶瓷电容器具有明显优势：更小的尺寸、更长的使用寿命、更好的高频特性等。 因此，在设计类人机器人时必须考虑速度更高的电流回路和更高的 PWM 频率。对于 MOSFET 型伺服驱动器，PWM 开关频率的增加会带来很大的额外损耗，从而导致驱动器严重发热。当开关频率从10kHz增加到20kHz时，MOSFET型驱动器会让总体损耗增加20%至30%，这对于类人机器人是不可接受的。此外，GaN FET在高频下具有较低开关损耗。在TIDA-010936测试中，电路板损耗在40kHz和80kHz下几乎相同，因此GaN特别适合高开关频率场景。

• 减少开关损耗

GaN之所以能够实现如此低的开关损耗，源于 GaN 器件的特性。GaN 器件具有更小的栅极电容 (CG) 和更小的输出电容 (Coss)，可实现达到Si-MOSFET 100 倍的开关速度。由于关断和开通时间缩短，可以在较短的范围内控制死区时间，例如 10-20ns，而 MOSFET 通常需要约 1us 的死区时间。死区时间的缩短可降低开关损耗。此外，GaN FET 没有体二极管，但续流功能通过第三象限操作实现。在高频PWM 场景中，MOSFET 的体二极管会导致较大的反向恢复损耗（Qrr 损耗）。第三象限操作还可避免开关节点响铃和由体二极管引起的 EMI 风险， 从而降低对高功率密度类人机器人中其他器件的干扰。

• 尺寸更小

类人机器人的关节空间有限。电源板通常是直径为 5-10 cm 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。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 具有更小的 RSP（比电阻、裸片面积尺寸比较），这意味着与具有相同 RDSon 的 MOSFET 相比， GaN 具有更小的裸片面积。德州仪器 (TI) 通过集成 FET 和栅极驱动器进一步减小了占用空间。这样可以实现 4.4mΩ 半桥 + 栅极驱动器，并且封装仅为 4.5 x 5.5mm。

英诺赛科

作为国内乃至全球氮化镓的主要供应商，英诺赛科正在广泛布局氮化镓市场，机器人就是其一。

在英诺赛科产品应用主任工程师郑先华，曾在2025年充电头网举办的第三代半导体机器人快充新技术研讨会上，做了《InnoGaN—机器人“芯”动力》报告。

英诺赛科的氮化镓产品能够覆盖机器人旋转执行器、灵巧手、线性执行器等部件，以及智能感知、AI及控制、电池、充电器等方面的应用。InnoGaN技术可实现轻量化、高功率密度、高效率和低温升。

GaN具有低器件损耗、低死区时间、高开关性能等性能优势，可提升BLDC/PMSM电机驱动效率，减少损耗和温升，增强功率密度降低耗电。

GaN器件具备更低导通损耗、更低的开关损耗、无反向恢复损耗、更低的温升、更强的出流能力，更适合高频应用。在20kHz和100kHz的测试条件下，GaN HEMT相较于Si MOS均表现出更低的温度变化（ΔTc）和损耗（loss），且在100kHz时，GaN的温升和损耗优势更为显著。

GaN器件在电机驱动中的优势，主要体现在低死区方面。其死区时间显著缩短，能降低死区损耗并减少总谐波失真，从而提升系统和电机效率。在48V/500W电机测试中，死区时间从500ns降到20ns，逆变器效率提升了约0.48%，THD降低了约0.93%。

GaN器件在电机驱动中具备高载频优势，更高的PWM载频能降低母线电流纹波、减少DC-link电容并提高系统功率密度。通过对比测试数据，展示了在PWM频率提升3倍后，电容体积大幅减少88.69%，母线电流纹波也显著降低。

实际对比20KHz和60KHz PWM下电机纹波电流，可见高PWM载频能减小纹波电流，有效提升电机效率，总体可降低系统能耗。

典型人 型 机器人单台约40个关节电机，方案分别对应三类电机及氮化镓芯片：灵巧手（空心杯电机，对应ISG3204LA芯片，集成GaN+驱动IC，体积小）；旋转执行器（无框力矩电机+减速器，对应INN100EA035A芯片，体积更小、散热强、性价比高）；线性执行器（无框力矩电机+丝杠，对应INN100EQ016A芯片，体积小、散热好、出流能力强）。

英诺赛科针对48V 500W环境推出电机驱动评估板，该方案采用ISG3204LA 芯片，具备高效率，在48V输入下峰值效率达98.23%，满载效率为98.1%，且在小功率场景可省去散热器，降低系统复杂度与成本。其拥有 1000W 峰值输出功率、150Hz 基本频率及 20kHz 开关频率等优势参数，为机器人电机驱动提供了高效可靠的解决方案，目前已帮助众多客户快速搭建应用评估环境，加快了产品验证与导入。

GaN器件的栅极电容和米勒电容都比Si小，因此，GaN器件能够实现较快的开关速度。为避免快速开关过程中di/dt和dv/dt产生电压电流应力，需要优化栅极回路及功率回路的Layout以减小寄生参数的影响。ISG3204LA在内部基板设计中实现了优化的驱动和功率环路:(1)驱动与GaN器件的距离非常近，减小了环路寄生电感以减小驱动环路的 嗓 声。(2)自举电容被合封在ISG3204LA内部，以减少驱动BST到Vcc的距离。(3)高低边GaN的距离保持最小以避免寄生电感导致的负压对驱动造成影响。

总结

人形机器人对控制精度和功率密度的要求较高。GaN 可以在高 PWM 频率下以低损耗轻松实现更高精度的电机控制。GaN 的高功率密度特性可进一步减小尺寸。

由于这些优势，GaN 型电机驱动器可能会成为类人机器人的首选设计，带来更高效、更稳定和更智能的机器人设计。除了人形机器人之外，GaN 技术也是其他类型机器人（协作机器人、外科手术机器人、AGV）、工业伺服系统、家用电器和其他需要高功率密度的应用的理想选择。

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参考文献

英诺赛科InnoGaN—机器人“芯”动力主题演讲回顾

https://www.chongdiantou.com/archives/1746528401044.html

GaN Powers Humanoid Robots

https://www.powerelectronicsnews.com/gan-powers-humanoid-robots/

GaN-Based Motor Drive Redefines Compact Power for Humanoid Robots and UAVs

https://www.powerelectronicsnews.com/gan-based-motor-drive-redefines-compact-power-for-humanoid-robots-and-uavs/

GaN FET 在类人机器人中的应用

https://www.ti.com.cn/cn/lit/ab/zhcaew1/zhcaew1.pdf

Infineon GaN Insights 2026

https://www.infineon.cn/assets/row/public/documents/24/59/infineon-gan-insights-2026-whitepaper-cn.pdf

Compact 1kW GaN motor drive for humanoid robot arms

https://community.infineon.com/t5/Blogs/Compact-1-kW-GaN-motor-drive-for-humanoid-robot-arms/ba-p/980886

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