根据 Goldman Sachs 的研究报告，2025 年全球人形机器人出货量约为 15,000 至 20,000 台，未来十年预计将实现超过 40% 的复合年增长率。在这场从科幻走向现实的技术竞赛中，电机驱动的高频化、小型化与热管理能力成为关键胜负手。本文将概述人形机器人的电源架构及其核心电力电子器件的技术要求，并结合行业领先厂商 Efficient Power Conversion Corporation（EPC）提供的 GaN 解决方案进行说明。

图1：人形机器人结构（来源：eepower）

人形机器人的应用与增长

曾经只存在于科幻作品中的人形机器人，正加速进入工业自动化、仓储物流、家庭辅助、医疗保健和农业等多个实际应用场景。这一快速增长得益于三方面的技术突破：运动控制能力显著提升，使得设计迭代周期缩短至一年以内；人工智能（AI） 自训练软件的成熟应用；以及供应链规模化带来的成本快速下降。

人形机器人的电源架构与功率器件要求

图 2：人形机器人电源架构简化框图（来源：Sonu Daryanani）

图 2 展示了人形机器人的简化电源架构。电池通常采用安全特低电压（SELV, Safe Extra Low Voltage），电压低于 60 V。其中 48 V 母线电压最为常见——这是在满足安全标准前提下，能够兼顾低功率损耗和轻量化设计的最优电压选择。

系统中需要多路 DC/DC 转换器，为栅极驱动器、伺服系统、传感器与控制器提供所需电压。电池管理系统（BMS, Battery Management System）负责电芯监测与安全保护。部分机器人已具备自充电或自主电池更换能力，通过减少停机时间来提升运行效率。

逆变器为电机提供交流电源。GaN PowerStage IC（集成栅极驱动与功率开关）与电机及其控制器构成紧密耦合系统，可实现协同优化。系统采用永磁同步电机（PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor），确保更平滑、更精确的运动表现。

小型化驱动电路使得高度集成成为可能——电机、驱动与传感电路可整合在单一封装内（如图2 所示）。这种设计减少了线缆损耗与寄生电感，改善了系统的动态响应。

不同关节部位对功率与性能的需求如下：

• 手腕/手部：功率通常为 10 W 至 100 W。自由度（DOF, Degree of Freedom）决定运动精度。人类手部约有 27 个自由度，商用机器人手部通常为 6 个，而部分先进的人形机器人手臂（如 Tesla Optimus）可达 25 个。高自由度设计需要密集的电机布局，因此驱动电路的小型化至关重要。通过提高逆变器开关频率，可以有效降低转矩脉动，实现更精准的运动控制。

• 踝部/颈部/肩部：功率需求为 100 W – 300 W，尺寸限制相对较低。

• 肘部：功率需求为 1 kW – 2 kW，重点关注热性能与安全性。

• 膝部/髋部/髋关节中心：功率需求最高，约 2.5 kW – 5 kW。

这些关节的设计重点是功率效率、热效率和功能安全。快速开关能够提升系统转矩，同时降低电流纹波。

通常情况下，为保障安全，机器人外壳温度需保持在 55 °C 以下。除最先进系统外，通常无法采用主动冷却方式。因此，在满载条件下逆变器器件温升成为关键设计考量。

人形机器人与AI基础设施的电源架构有何共性？

人形机器人的电源挑战并非孤立存在。事实上，从数据中心AI服务器到移动机器人，电源架构正在经历一场深刻的技术变革。我们就此话题采访了 EPC 公司 CEO Alex Lidow，请他从产业全局视角分享见解。

Q: 在您看来,人形机器人与AI基础设施的融合趋势下,关键的电源传输挑战是什么?EPC的技术如何解决这些挑战?

EPC CEO Alex Lidow: 人形机器人与 AI 服务器在电源架构上具有共同的基础:均需将较高母线电压(通常为 48 V)通过多级 DC-DC 转换,降压至处理器、传感器与执行器所需的低电压。EPC 的 GaN 器件支持超高频率、高功率密度的 DC-DC 转换级,在提升效率的同时大幅缩小磁性元件与电容尺寸——这对于紧凑型、电池供电的人形机器人尤为关键。

从地域分布来看,目前最先进的人形机器人系统主要出现在中国与美国;台湾和日本在整机领域相对滞后,但在底层生态方面具有优势,包括半导体、DC-DC 转换器及关键功率模块。

氮化镓（GaN）HEMT 在人形机器人逆变器中的优势

与硅 MOSFET 相比，GaN HEMT 在人形机器人电机驱动逆变器应用中具有以下优势：

• 开关速度可提高 10 倍以上，使电机可在更高频率下运行，降低绕组与铁芯损耗，从而提升整体系统效率。

• 高频率降低转矩脉动，提高转矩控制带宽，实现更平滑、精确的电机控制。

• 更优的性能指标（FoM, Figure of Merit）支持更小型化设计，有利于空间受限应用中的集成式电机驱动开发。

• 增强型（e-mode）GaN 器件无反向恢复电荷（Qrr, Reverse Recovery Charge），可降低能量损耗并缩短死区时间，从而提升每安培转矩并降低噪声。

• 高频与低损耗特性使得在相同负载电流下电机温升更低，满足无源散热需求。

• 高频特性可替代体积庞大的电解电容，改用体积更小、可靠性更高的陶瓷电容。

• 更高效率与更小尺寸/重量有助于延长机器人电池续航时间。

封装与热管理：让高频关节驱动真正落地

在关节驱动这个场景,GaN 器件能不能真正落地,取决于三个硬指标:器件尺寸够不够小、热量散不散得掉、量产稳不稳定。尤其是在关节内部集成式电机驱动（把逆变器靠近电机，甚至直接嵌入定子壳体）这一趋势下，封装与热路径往往与器件本身的导通损耗、开关损耗同等重要。

• 低寄生电感与高速开关的匹配：GaN 的高 dv/dt、di/dt 会放大封装与布局中的寄生参数影响。小型 QFN 等贴片封装有助于缩短电流回路、降低寄生电感，从而在 >100 kHz PWM 的工况下更容易控制开关振铃与 EMI 风险。

• 集成式 PowerStage 让"高频+高功率密度"更可控：以 EPC33110 ePower™ Stage 为例，将 GaN 半桥与驱动、Bootstrap、电平移位等功能集成在一个封装内，可以减少离散器件方案中驱动环路与栅极走线的不确定性，让高速开关更容易在工程上复现。

• 顶部散热（top-side cooled）封装更适合关节"贴壳散热"：在关节空间受限、被动散热为主的场景，热量需要尽可能直接、短路径地导出到外壳或结构件。EPC33110 以及 EPC2361 等器件采用顶部散热封装，可将热量更有效耦合到外部散热面，有利于把温升控制在安全阈值内。

• 高电流关节的并联扩展与一致性：在髋/膝等高转矩关节里，器件并联是常见做法。EPC9186NC2 这类参考设计采用每个开关位置并联 GaN FET（如 2× EPC2361）来提高电流能力。封装的小型化与热阻优势，有助于在并联条件下更好地做热均衡与布线对称，从而提升系统可靠性。

这也是为什么在人形机器人电机驱动中，除了"GaN 本身更快、更高效"，EPC 的器件封装形态、集成度与参考设计体系往往决定了方案能否真正做到"关节内嵌、被动散热、长时间稳定运行"。

如何看待 GaN 在机器人执行器系统中的价值？

人形机器人需要数十个高精度电机驱动在狭小空间、有限散热条件下协同工作，这对功率技术提出了前所未有的挑战。

Q: 人形机器人需要数十个高精度电机驱动在狭小空间、有限散热条件下协同工作。GaN在实现这些下一代执行器系统中的作用,最让您兴奋的是什么?

EPC CEO Alex Lidow: 在人形机器人中,电机驱动是最关键的功率级之一,而 GaN 在此领域展现出明显优势。机器人本质上是由大量高精度电机构成的系统,GaN 使驱动开关频率可超过 100 kHz,远高于传统 MOSFET 方案。在该频率下,设计人员可移除体积庞大的电解电容,大幅降低体积与重量。最终实现更平滑的运动、更高效率、更佳可靠性与更长寿命。这一组合优势使 GaN 成为下一代机器人执行器的理想选择。

面向人形机器人的 GaN 解决方案

图3：EPC面向人形机器人应用的完整解决方案（来源：EPC）

EPC 提供从分立器件到集成 IC 的完整 GaN 产品线。针对人形机器人不同关节的功率等级与空间限制，公司给出了两条清晰的技术路径：

• 10 W–300 W 小关节（手腕/肘部/踝部）：采用 EPC91122 参考设计，核心是集成式 EPC33110 PowerStage IC，逆变器板直径仅 32 mm，可直接嵌入定子壳体。

• 1 kW–5 kW 主关节（髋部/膝部/肩部）：采用 EPC9186 参考设计，通过并联 GaN FET（如 2× EPC2361）实现 >100 A 连续电流能力。

下面是这两类方案的技术细节。

驱动手腕/肘部/踝部关节

图 4：EPC91122 参考设计板（来源：EPC）

圆形 PCB 外径 55 mm，逆变器板直径 32 mm；集成 EPC33110 三相半桥 IC（100 V/8.7 mΩ）；100 kHz PWM 下自然对流可连续输出 13 A，温升 <50 °C。

这类关节的设计重心在速度、精度与小型化。要同时实现这三点，高 PWM 频率（>100 kHz）与低死区时间是关键。

EPC91122 是一个三相 PMSM 电机驱动逆变器参考设计，采用圆形 PCB——外径 55 mm，内层逆变器板直径 32 mm。这种紧凑设计使其能够直接装入 Unitree A1 等机器人关节电机的定子壳体，利用电机外壳本身作为散热路径，进一步提升热性能。

这块参考板集成了完整的电机驱动功能，包括：稳压离线电源、直流电压检测、30 A 过流保护电流传感 IC，以及用于转子位置与速度反馈的板载磁编码器。

图5：EPC33110产品图（来源：EPC）

该参考设计的核心是 EPC33110 ePower™ Stage IC——单芯片集成三组 GaN 半桥、栅极驱动、Bootstrap 电路与电平移位器，最大额定电压 100 V，典型导通电阻 RDS(on) 为 8.7 mΩ。封装尺寸 6 × 6.5 mm QFN，支持六路互补 PWM 信号与快速低电平有效关断。只需单路 5 V 输入即可驱动模块在最高 80 V 电压下运行。

EPC33110 每相额定电流为 15 ARMS-PK，连续电流 10 ARMS。测功机测试显示，2 s 脉冲条件下可达 20 ARMS——对应 1 Nm/ARMS 电机时转矩可达 20 Nm。更重要的是，在 100 kHz PWM、25 ns 死区时间、自然对流冷却条件下，该器件能够连续输出 13 ARMS 且温升低于 50 °C（这一热性能得益于顶部散热封装设计）。

图 6: EPC91122 在 100 kHz PWM 下的连续运行热性能测试,采用自然对流冷却与被动散热器(来源:EPC)

髋部/膝部/肩部关节

这类高转矩关节在低速下需要实现超过 100 Nm 的峰值转矩，对电机驱动提出了截然不同的要求：高相电流、低导通电阻 RDS(on)，以及在大电流工况下仍能保持高效率的快速开关能力。为此，功率器件并联是常见方案。

EPC9186HC2 是面向 100 ARMS 三相 PMSM 电机的参考设计板。EPC9186NC2 变体在每个开关位置并联 2 颗 EPC2361 GaN FET，峰值电流可达 200 Apk。

EPC2361 是一款 100 V、最大 RDS(on) 0.75 mΩ 的 eGaN® 器件，采用 3 × 5 mm QFN 顶部散热封装。其突出优势在于热性能——结到壳顶部热阻仅 0.2 °C/W，这使得器件即便在并联、大电流条件下也能有效控制温升。

结语

人形机器人正从实验室原型迈向量产部署。在这一进程中，电机驱动的高频化、集成化与热管理能力将成为决定系统成败的关键环节。EPC 的 GaN 器件与参考设计体系为关节驱动提供了从芯片级性能优势到系统级工程落地的完整解决方案——让更高自由度、更长续航、更稳定的运动控制不再停留在 PPT 上，而是能够在真实关节、真实负载下可靠运行。

来源：三代半食堂

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