人形机器人，带火GaN - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

2025年可以说是人形机器人的“破圈”之年，更是量产元年。

从春晚舞台的惊艳亮相到工业车间的实际作业，从运动赛场的竞技比拼到家庭场景的服务尝试，人形机器人正经历从 “炫技” 到 “实用” 的关键转型，其技术和产业的快速发展也同样引人关注。

而人形机器人所展现出来的运动灵活性和能效表现，都有了质的飞跃。而这一跨越的背后，不仅是人工智能算法的迭代，更是底层硬件技术的革新。

以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体，正在重塑机器人 “肌肉与神经” 的底层架构。

01.

GaN，何以带来性能跃迁？

人形机器人的动态特性依赖于全身40个以上的伺服关节系统，每个关节需要兼具驱动、传感、控制功能。

传统硅基功率器件在机器人控制系统中广泛应用，但其性能已逐渐接近物理极限。硅基器件在高频开关、能效、体积等方面存在明显局限性，难以满足人形机器人对高动态响应、低能耗、轻量化等需求。

例如，硅基器件在高频工作时会产生较大的开关损耗，导致能量浪费和系统发热；另外，较大的芯片面积也限制了机器人内部空间的优化。

与此同时，机器人的续航能力也成为商业化落地的关键制约因素。当前主流产品在满载工况下的续航普遍不足 4 小时，电池能量密度提升的放缓，使得通过功率器件优化能效成为延长续航的核心路径。

具体来看，人形机器人对功率器件的需求可概括为「三高一小」，即高频开关能力、高功率密度、高效率转换，以及小体积封装。

那么，从材料特性出发，氮化镓为何优于硅基MOSFET？

与硅基器件相比，GaN 在物理结构上具有宽禁带、高电子迁移率、高击穿电场强度等优势，这些特性转化为实际应用中的高频、高效、高功率密度等表现。

第一，高频性能的革命性突破。氮化镓器件的核心优势在于其电子迁移率和击穿电场远高于硅基材料。硅基MOSFET的典型工作频率通常在几十千赫兹（kHz）范围内，而氮化镓器件可轻松实现数百千赫兹甚至兆赫兹（MHz）级别的高频开关。这一特性直接推动了人形机器人伺服控制系统中PWM（脉宽调制）控制精度的提升。

人形机器人的核心目标是实现类人化的动态控制，这需要对关节电机进行毫秒级的精准调节。传统硅基MOSFET因寄生电容和电感较大，在高频PWM控制下容易产生电流纹波，导致电机转矩波动。而氮化镓器件的寄生参数极小，能够显著降低电流纹波，提升PWM控制分辨率。

例如，在特斯拉Optimus人形机器人的关节电机控制中，高频PWM信号能够实现更细腻的电流调节，从而让机器人的动作更加平滑自然，甚至能够完成类似人类手指抓取玻璃杯的精细操作。

第二，低导通损耗与高效能转化。硅基MOSFET在高频率开关过程中会产生显著的导通损耗和开关损耗，导致系统效率下降和散热压力增加。而氮化镓器件的导通电阻（Rds(on)）比硅基器件低一个数量级，开关损耗几乎可以忽略不计。

人形机器人在实际应用中需要应对复杂环境，例如搬运重物、跨越障碍等场景，这对关节电机的爆发功率提出了极高要求。硅基MOSFET因导通损耗大和热限制，通常难以在短时间内输出高功率。而氮化镓器件的低损耗特性使其能够在高频高功率状态下稳定运行。

据意优科技技术总监李战猛透露，氮化镓驱动器的转换效率可达98.5%以上，而传统硅基方案的效率通常在85%-95%之间。这意味着在相同面积下，氮化镓可以获得更高的功率输出，满足人形机器人高爆发力运动的需求。

第三，高功率密度与小型化潜力。氮化镓能够在较小的空间内处理较大的电场，同时拥有更快的开关速度，这就使得基于氮化镓的功率器件可以实现更高的功率密度输出。

换句话说，就是在相同体积下，氮化镓器件能够提供更大的功率，或者在提供相同功率时，氮化镓器件的体积可以更小、重量更轻。例如，英诺赛科的100V氮化镓芯片应用于人形机器人关节驱动时，成功将电源模块的体积减少了30%。

对于人形机器人而言，这种小型化优势尤为重要。关节腔体通常直径不足10厘米，传统硅基器件的驱动器、传感器、减速器等模块难以在有限空间内集成。而氮化镓通过紧凑封装和集成化设计，让其高功率密度特性与集成式驱动器的特性相结合，进一步减小尺寸。

第四，热稳定性与可靠性。氮化镓材料的禁带宽度远高于硅，使其在高温环境下仍能保持稳定的性能。研究表明，氮化镓器件在650°C以上的高温中仍能正常工作，且其热导率较高，能够快速将热量传导至散热系统。

这一特性对于人形机器人关节等高负载部件尤为重要，人形机器人在密集运动时，关节电机和驱动器会产生大量热量，导致局部温度骤升，而传统硅基系统的散热需求往往需要额外的冷却结构（如风扇或散热片），进一步增加了体积和重量。氮化镓器件因低损耗和高热导率，能够将热量集中在可控范围内，从而减少对主动散热系统的依赖。

02.

GaN落地应用，重构机器人核心系统

GaN 技术落地应用人形机器人并非单点突破，而是渗透到从动力驱动到感知交互的全系统架构中。

在伺服驱动系统中，GaN 提升了关节的运动精度与功率密度；在能源管理系统中，GaN 优化了电池充放电效率与续航能力；在感知与通信系统中，GaN 增强了环境探测与数据传输的可靠性。这种全链路的技术升级，正在推动人形机器人性能边界的持续突破。

■ 伺服驱动

作为机器人的 “动力核心”，伺服驱动系统负责将电能转化为机械能，驱动关节完成各种动作。

GaN 器件通过高频开关与低损耗特性，为伺服系统带来了精度、功率与效率的全方位提升，成为机器人“数字肌肉”的核心支撑。