2025年可以說是人形機器人的“破圈”之年，更是量產(chǎn)元年。

從春晚舞臺的驚艷亮相到工業(yè)車間的實際作業(yè)，從運動賽場的競技比拼到家庭場景的服務嘗試，人形機器人正經(jīng)歷從 “炫技” 到 “實用” 的關鍵轉型，其技術和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也同樣引人關注。

而人形機器人所展現(xiàn)出來的運動靈活性和能效表現(xiàn)，都有了質的飛躍。而這一跨越的背后，不僅是人工智能算法的迭代，更是底層硬件技術的革新。

以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體，正在重塑機器人 “肌肉與神經(jīng)” 的底層架構。

01.

GaN，何以帶來性能躍遷？

人形機器人的動態(tài)特性依賴于全身40個以上的伺服關節(jié)系統(tǒng)，每個關節(jié)需要兼具驅動、傳感、控制功能。

傳統(tǒng)硅基功率器件在機器人控制系統(tǒng)中廣泛應用，但其性能已逐漸接近物理極限。硅基器件在高頻開關、能效、體積等方面存在明顯局限性，難以滿足人形機器人對高動態(tài)響應、低能耗、輕量化等需求。

例如，硅基器件在高頻工作時會產(chǎn)生較大的開關損耗，導致能量浪費和系統(tǒng)發(fā)熱；另外，較大的芯片面積也限制了機器人內部空間的優(yōu)化。

與此同時，機器人的續(xù)航能力也成為商業(yè)化落地的關鍵制約因素。當前主流產(chǎn)品在滿載工況下的續(xù)航普遍不足 4 小時，電池能量密度提升的放緩，使得通過功率器件優(yōu)化能效成為延長續(xù)航的核心路徑。

具體來看，人形機器人對功率器件的需求可概括為「三高一小」，即高頻開關能力、高功率密度、高效率轉換，以及小體積封裝。

那么，從材料特性出發(fā)，氮化鎵為何優(yōu)于硅基MOSFET？

與硅基器件相比，GaN 在物理結構上具有寬禁帶、高電子遷移率、高擊穿電場強度等優(yōu)勢，這些特性轉化為實際應用中的高頻、高效、高功率密度等表現(xiàn)。

第一，高頻性能的革命性突破。氮化鎵器件的核心優(yōu)勢在于其電子遷移率和擊穿電場遠高于硅基材料。硅基MOSFET的典型工作頻率通常在幾十千赫茲（kHz）范圍內，而氮化鎵器件可輕松實現(xiàn)數(shù)百千赫茲甚至兆赫茲（MHz）級別的高頻開關。這一特性直接推動了人形機器人伺服控制系統(tǒng)中PWM（脈寬調制）控制精度的提升。

人形機器人的核心目標是實現(xiàn)類人化的動態(tài)控制，這需要對關節(jié)電機進行毫秒級的精準調節(jié)。傳統(tǒng)硅基MOSFET因寄生電容和電感較大，在高頻PWM控制下容易產(chǎn)生電流紋波，導致電機轉矩波動。而氮化鎵器件的寄生參數(shù)極小，能夠顯著降低電流紋波，提升PWM控制分辨率。

例如，在特斯拉Optimus人形機器人的關節(jié)電機控制中，高頻PWM信號能夠實現(xiàn)更細膩的電流調節(jié)，從而讓機器人的動作更加平滑自然，甚至能夠完成類似人類手指抓取玻璃杯的精細操作。

第二，低導通損耗與高效能轉化。硅基MOSFET在高頻率開關過程中會產(chǎn)生顯著的導通損耗和開關損耗，導致系統(tǒng)效率下降和散熱壓力增加。而氮化鎵器件的導通電阻（Rds(on)）比硅基器件低一個數(shù)量級，開關損耗幾乎可以忽略不計。

人形機器人在實際應用中需要應對復雜環(huán)境，例如搬運重物、跨越障礙等場景，這對關節(jié)電機的爆發(fā)功率提出了極高要求。硅基MOSFET因導通損耗大和熱限制，通常難以在短時間內輸出高功率。而氮化鎵器件的低損耗特性使其能夠在高頻高功率狀態(tài)下穩(wěn)定運行。

據(jù)意優(yōu)科技技術總監(jiān)李戰(zhàn)猛透露，氮化鎵驅動器的轉換效率可達98.5%以上，而傳統(tǒng)硅基方案的效率通常在85%-95%之間。這意味著在相同面積下，氮化鎵可以獲得更高的功率輸出，滿足人形機器人高爆發(fā)力運動的需求。

第三，高功率密度與小型化潛力。氮化鎵能夠在較小的空間內處理較大的電場，同時擁有更快的開關速度，這就使得基于氮化鎵的功率器件可以實現(xiàn)更高的功率密度輸出。

換句話說，就是在相同體積下，氮化鎵器件能夠提供更大的功率，或者在提供相同功率時，氮化鎵器件的體積可以更小、重量更輕。例如，英諾賽科的100V氮化鎵芯片應用于人形機器人關節(jié)驅動時，成功將電源模塊的體積減少了30%。

對于人形機器人而言，這種小型化優(yōu)勢尤為重要。關節(jié)腔體通常直徑不足10厘米，傳統(tǒng)硅基器件的驅動器、傳感器、減速器等模塊難以在有限空間內集成。而氮化鎵通過緊湊封裝和集成化設計，讓其高功率密度特性與集成式驅動器的特性相結合，進一步減小尺寸。

第四，熱穩(wěn)定性與可靠性。氮化鎵材料的禁帶寬度遠高于硅，使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的性能。研究表明，氮化鎵器件在650°C以上的高溫中仍能正常工作，且其熱導率較高，能夠快速將熱量傳導至散熱系統(tǒng)。

這一特性對于人形機器人關節(jié)等高負載部件尤為重要，人形機器人在密集運動時，關節(jié)電機和驅動器會產(chǎn)生大量熱量，導致局部溫度驟升，而傳統(tǒng)硅基系統(tǒng)的散熱需求往往需要額外的冷卻結構（如風扇或散熱片），進一步增加了體積和重量。氮化鎵器件因低損耗和高熱導率，能夠將熱量集中在可控范圍內，從而減少對主動散熱系統(tǒng)的依賴。

02.

GaN落地應用，重構機器人核心系統(tǒng)

GaN 技術落地應用人形機器人并非單點突破，而是滲透到從動力驅動到感知交互的全系統(tǒng)架構中。

在伺服驅動系統(tǒng)中，GaN 提升了關節(jié)的運動精度與功率密度；在能源管理系統(tǒng)中，GaN 優(yōu)化了電池充放電效率與續(xù)航能力；在感知與通信系統(tǒng)中，GaN 增強了環(huán)境探測與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這種全鏈路的技術升級，正在推動人形機器人性能邊界的持續(xù)突破。

■伺服驅動

作為機器人的 “動力核心”，伺服驅動系統(tǒng)負責將電能轉化為機械能，驅動關節(jié)完成各種動作。

GaN 器件通過高頻開關與低損耗特性，為伺服系統(tǒng)帶來了精度、功率與效率的全方位提升，成為機器人“數(shù)字肌肉”的核心支撐。

▍圖源：英諾賽科

當前主流人形機器人單機約含40個關節(jié)電機，其GaN器件用量因關節(jié)大小而異。小關節(jié)（如手指）用量較少（3-6顆），中等關節(jié)（如肘）用量中等（約12顆），大關節(jié)用量最多（24顆）。這使得單臺機器人的基礎GaN用量達到約300顆。

當引入如五指靈巧手、腰部扭轉等更復雜的自由度后，單機GaN用量將顯著攀升至1000顆以上。

當前主流人形機器人搭載約40個關節(jié)電機，按照關節(jié)尺寸分級配置 GaN 器件：手指等小關節(jié)需3至6顆，肘關節(jié)等中等關節(jié)需約12顆，而最大的關節(jié)則需要24顆。據(jù)此計算，單臺機器人的GaN基礎用量約300顆。

而隨著五指靈巧手、腰部扭轉關節(jié)等新自由度的加入，機器人單機GaN用量將突破1000顆。

在精密控制場景中，GaN 的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在靈巧手與多軸協(xié)同控制上。

作為人形機器人領域領先企業(yè)，上海智元率先將集成了英諾賽科GaN器件的關節(jié)電機驅動應用至機器人，通過GaN技術解決了傳統(tǒng)硅基器件在功率密度與控制精度上的瓶頸。

據(jù)介紹，目前，智元人形機器人已在脖子、手肘等關鍵活動關節(jié)的3個電機中應用GaN器件，每個電機集成3顆GaN芯片，GaN器件已裝配至數(shù)百臺人形機器人。

此外，在多軸協(xié)同控制中，GaN 的同步響應能力至關重要。依托GaN技術高頻開關（MHz級）、超低死區(qū)時間（ns級）以及高集成度等優(yōu)勢，解決了多軸協(xié)同中的延遲累積、通信抖動和熱管理難題。

中科阿爾法科技有限公司發(fā)布了一款基于氮化鎵（GaN）驅動的機器人關節(jié)模組（型號：ZK-RI0--PRO--B）。該模組內置中科無線半導體AI ASIC具身機器人動力系統(tǒng)芯片家族關節(jié)系列“GaN陣列驅動器芯片”，具有250Hz高頻神經(jīng)反射與5ms全鏈路時延，這對于人形機器人實現(xiàn)快速、精準的動作控制至關重要。

▍圖源：中科阿爾法

高頻神經(jīng)反射能夠確保機器人在復雜環(huán)境中迅速做出反應，而低時延則保證了動作的流暢性和連貫性。此外，該技術通過物理3D建模與多模態(tài)傳感器數(shù)據(jù)融合輸出的陣列控制信號在5ms的時間同時控制機器人數(shù)十個關節(jié)，不但保持了機器人在高速運動過程中的穩(wěn)定性，還大幅縮短了機器人的研發(fā)訓練時間。

在大功率關節(jié)應用中，GaN 的功率密度優(yōu)勢充分顯現(xiàn)。

髖關節(jié)作為機器人的核心承重關節(jié)，需要在有限空間內輸出高功率。與傳統(tǒng)硅基MOSFET相比，GaN整個功率器件的芯片面積減小了50%以上。GaN器件在人形機器人的髖關節(jié)模塊中的應用，在有限的直徑十幾厘米的關節(jié)腔內，能搭載20余顆GaN器件，而傳統(tǒng)硅基MOSFET根本塞不進這么小的空間。

另外，據(jù)德州儀器透露，驅動機器人手指的電機可能只需要數(shù)安培電流，而驅動髖關節(jié)或腿的電機可能需要 100 安培或更高的電流。

■能源管理

以特斯拉Optimus為例，其配備的52V、2.3kWh電池，僅能支持2至4小時運動，而人形機器人高強度、高頻次動作需要更持久的能量供給。

人形機器人的續(xù)航能力直接決定其商業(yè)化價值，而能源管理系統(tǒng)是提升續(xù)航的核心環(huán)節(jié)。GaN 器件通過優(yōu)化充放電效率、減小電源體積、實現(xiàn)能量回收等方式，成為破解續(xù)航難題的關鍵技術。

在電池快充領域，GaN 的高頻高效特性推動了超快充技術的落地。

中科無線半導體發(fā)布的氮化鎵（GaN）ASIC智能快充芯片（包括：CT-3602、CT1020、CT1007與CT-1901）四個型號，通過“氮化鎵ASIC芯片+GaN功率管”集成的差異設計，是為機器人定制化的快充專用芯片。

▍圖源：中科無線半導體

該系列采用氮化鎵合封，通過ASIC芯片+GaN HEMT鍵合，高頻高效，模塊體積縮小30%，低內阻特性降低導通損耗，采用LLC設計結構系統(tǒng)效率達98%以上，充電發(fā)熱減少25%，適配機器人對空間緊湊性與低發(fā)熱的雙重要求。

InnoGaN機器人240W快充解決方案采用All GaN BTPPFC+LLC技術，具有高效率、小體積和高功率密度的優(yōu)勢。該方案在提升效率的同時，也保障了工作的連續(xù)性，為機器人快充領域帶來新的技術突破。

▍圖源：英諾賽科

此外，分布式電源架構的應用則提升了能源管理的靈活性。英諾賽科還提供了高性能氮化鎵機器人高性能DC-DC供電方案，采用GaN多相降壓技術，實現(xiàn)更高效率與更小占板面積，助力機器人供電性能提升。

針對機器人BMS，英諾賽科提供了VGaN的應用方案，對比傳統(tǒng)Si MOS方案，GaN器件在系統(tǒng)單板體積方面取得顯著突破。元器件數(shù)量得以大幅削減達50%。同時，系統(tǒng)單板體積減少33%。此外，GaN方案的溫升較傳統(tǒng)方案降低13.1℃，在無散熱器的條件下，實現(xiàn)100A輸出。

▍圖源：英諾賽科

除此之外，能量回收系統(tǒng)是提升續(xù)航的另一重要路徑。機器人在行走、制動、下坡等場景中會產(chǎn)生大量制動能量，傳統(tǒng)硅基方案因反向恢復損耗大，能量回收效率通常低于 75%。而GaN 器件的零反向恢復特性，使能量回收效率提升至 92% 以上。

■感知與通信

人形機器人的環(huán)境交互能力依賴于感知與通信系統(tǒng)的性能，而 GaN 器件在高頻信號處理、抗干擾傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢，正在強化機器人的“神經(jīng)末梢”功能，使其更精準地感知環(huán)境、更可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

在新能源汽車中，GaN就在激光雷達領域展現(xiàn)出巨大的潛力，成為自動駕駛技術的關鍵組成部分。GaN 在新能源汽車激光雷達中的技術積累，為人形機器人提供了成熟的移植路徑。

激光雷達作為機器人的“眼睛”，需要高功率、高頻的激光驅動信號。GaN FET 的 2MHz 開關速度可驅動 1550nm 激光二極管實現(xiàn) 200m 以上的探測距離，較硅基方案提升 50%；同時，其低開關損耗特性使激光雷達的平均功耗降低 30%，解決了傳統(tǒng)方案的發(fā)熱問題。

另外，機器人的 IMU（慣性測量單元）、扭矩傳感器等需要高精度的信號調理電路，而 GaN 器件的低噪聲特性減少了信號干擾。集成 GaN 的信號調理模塊可將 IMU 數(shù)據(jù)采集延遲壓縮，為動態(tài)平衡控制提供了實時數(shù)據(jù)支撐。

不僅如此，在無線通信領域，GaN 射頻器件增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c距離。同時，其零反向恢復特性將 EMI（電磁干擾）噪聲降低 20dB，減少了對其他傳感器的干擾。

03.

寫在最后

氮化鎵器件的出現(xiàn)，標志著人形機器人從“功能實現(xiàn)”邁向“性能優(yōu)化”的新階段。其高頻低損、小型化、高功率密度等特性，不僅解決了傳統(tǒng)硅基MOSFET在關節(jié)驅動、電源管理等環(huán)節(jié)的瓶頸，還為人形機器人的智能化、輕量化和實用化提供了全新可能。

盡管氮化鎵器件目前的成本仍高于硅基MOSFET，但隨著8英寸晶圓量產(chǎn)、良率提升和規(guī)模效應的放大，其成本有望持續(xù)下探。此外，氮化鎵的封裝技術和驅動IC的優(yōu)化，將進一步降低設計復雜度。

以英諾賽科和英飛凌為代表的IDM企業(yè)，力求在效率與成本上獲得先發(fā)優(yōu)勢。

英諾賽科擁有全球最大規(guī)模的8英寸硅基氮化鎵晶圓生產(chǎn)基地（蘇州、珠海）。截至2024年末，英諾賽科晶圓產(chǎn)能達1.3萬片/月，未來計劃將產(chǎn)能擴充至2萬片晶圓/月，產(chǎn)品設計及性能處于國際先進水平。

英飛凌更是推出了其12英寸氮化鎵功率半導體晶圓技術。相較于傳統(tǒng)8英寸晶圓，12英寸氮化鎵晶圓可在單位面積上產(chǎn)出更多的芯片，這不僅提升了生產(chǎn)效率，還顯著降低了單位成本。

今年7月消息，英飛凌宣布其在 300mm晶圓上的可擴展GaN生產(chǎn)已步入正軌，首批樣品預計將于2025年第四季度交付客戶。

在機器人領域，英飛凌致力于提供全面的解決方案，涵蓋從關節(jié)驅動、智能傳感、邊緣計算到安全互聯(lián)等各個環(huán)節(jié)。目前，英飛凌已與超過20家機器人產(chǎn)業(yè)鏈公司達成合作，其創(chuàng)新的氮化鎵關節(jié)方案能有效減輕機器人重量、延長電池續(xù)航；為GPU供電的方案也可應用于機器人，顯著提升機器人性能與能效。

此外，芯聯(lián)集成也將AI列為公司四大戰(zhàn)略市場之一。目前，芯聯(lián)集成已實現(xiàn)量產(chǎn)的包括機器人靈巧手的動作驅動芯片、高級輔助駕駛ADAS里面的激光雷達核心芯片、慣性導航芯片、壓力傳感器芯片等，且已收到靈巧手的相關訂單。

合作方面，芯聯(lián)集成還與具身智能機器人企業(yè)魔法原子有相關合作，雙方合作探索人形機器人核心零部件供應鏈，尤其高集成電驅控芯片的相關開發(fā)，進一步優(yōu)化量產(chǎn)工藝。

以納微半導體為代表的Fabless企業(yè)，致力于強化供應鏈，推動創(chuàng)新、降本增效。

作為全球 GaN功率 IC 龍頭，納微半導體此前主要與臺積電合作，借助其 6 英寸產(chǎn)線進行氮化鎵芯片的生產(chǎn)。如今，臺積電決定于2027年前逐步退出GaN晶圓代工業(yè)務。今年7月消息，納微半導體宣布已與力積電建立戰(zhàn)略合作伙伴關系，正式啟動并持續(xù)推進8英寸硅基氮化鎵技術生產(chǎn)。力積電將為納微半導體生產(chǎn)100V至650V的氮化鎵產(chǎn)品組合。

隨著技術成本的下降和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，GaN有望成為人形機器人產(chǎn)業(yè)的“核心引擎”，推動這一領域從實驗室走向工廠、家庭等多維應用場景。這場由材料創(chuàng)新引發(fā)的變革，正在重新定義機器人的能力邊界。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >