2025年可以說是人形機器人的“破圈”之年，更是量產元年。

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

而人形機器人所展現出來的運動靈活性和能效表現，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” 的底層架構。

01.

GaN，何以帶來性能躍遷？

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

傳統硅基功率器件在機器人控制系統中廣泛應用，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生較大的開關損耗，導致能量浪費和系統發熱；另外，較大的芯片面積也限制了機器人內部空間的優化。

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

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，氮化鎵為何優于硅基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。

第一，高頻性能的革命性突破。氮化鎵器件的核心優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數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類人化的動態控制，這需要對關節電機進行毫秒級的精準調節。傳統硅基MOSFET因寄生電容和電感較大，在高頻PWM控制下容易產生電流紋波，導致電機轉矩波動。而氮化鎵器件的寄生參數極小，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人形機器人的關節電機控制中，高頻PWM信號能夠實現更細膩的電流調節，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生顯著的導通損耗和開關損耗，導致系統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境，例如搬運重物、跨越障礙等場景，這對關節電機的爆發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下穩定運行。

據意優科技技術總監李戰猛透露，氮化鎵驅動器的轉換效率可達98.5%以上，而傳統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，這種小型化優勢尤為重要。關節腔體通常直徑不足10厘米，傳統硅基器件的驅動器、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，使其在高溫環境下仍能保持穩定的性能。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。

這一特性對于人形機器人關節等高負載部件尤為重要，人形機器人在密集運動時，關節電機和驅動器會產生大量熱量，導致局部溫度驟升，而傳統硅基系統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的依賴。

02.

GaN落地應用，重構機器人核心系統

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架構中。

在伺服驅動系統中，GaN 提升了關節的運動精度與功率密度；在能源管理系統中，GaN 優化了電池充放電效率與續航能力；在感知與通信系統中，GaN 增強了環境探測與數據傳輸的可靠性。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突破。

■伺服驅動

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

GaN 器件通過高頻開關與低損耗特性，為伺服系統帶來了精度、功率與效率的全方位提升，成為機器人“數字肌肉”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個關節電機，其GaN器件用量因關節大小而異。小關節（如手指）用量較少（3-6顆），中等關節（如肘）用量中等（約12顆），大關節用量最多（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個關節電機，按照關節尺寸分級配置 GaN 器件：手指等小關節需3至6顆，肘關節等中等關節需約12顆，而最大的關節則需要24顆。據此計算，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 的優勢集中體現在靈巧手與多軸協同控制上。

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

據介紹，目前，智元人形機器人已在脖子、手肘等關鍵活動關節的3個電機中應用GaN器件，每個電機集成3顆GaN芯片，GaN器件已裝配至數百臺人形機器人。

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

中科阿爾法科技有限公司發布了一款基于氮化鎵（GaN）驅動的機器人關節模組（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芯片家族關節系列“GaN陣列驅動器芯片”，具有250Hz高頻神經反射與5ms全鏈路時延，這對于人形機器人實現快速、精準的動作控制至關重要。

▍圖源：中科阿爾法

高頻神經反射能夠確保機器人在復雜環境中迅速做出反應，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建模與多模態傳感器數據融合輸出的陣列控制信號在5ms的時間同時控制機器人數十個關節，不但保持了機器人在高速運動過程中的穩定性，還大幅縮短了機器人的研發訓練時間。

在大功率關節應用中，GaN 的功率密度優勢充分顯現。

髖關節作為機器人的核心承重關節，需要在有限空間內輸出高功率。與傳統硅基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模塊中的應用，在有限的直徑十幾厘米的關節腔內，能搭載20余顆GaN器件，而傳統硅基MOSFET根本塞不進這么小的空間。

另外，據德州儀器透露，驅動機器人手指的電機可能只需要數安培電流，而驅動髖關節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。

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

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設計結構系統效率達98%以上，充電發熱減少25%，適配機器人對空間緊湊性與低發熱的雙重要求。

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勢。該方案在提升效率的同時，也保障了工作的連續性，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Si MOS方案，GaN器件在系統單板體積方面取得顯著突破。元器件數量得以大幅削減達50%。同時，系統單板體積減少33%。此外，GaN方案的溫升較傳統方案降低13.1℃，在無散熱器的條件下，實現100A輸出。

▍圖源：英諾賽科

除此之外，能量回收系統是提升續航的另一重要路徑。機器人在行走、制動、下坡等場景中會產生大量制動能量，傳統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

人形機器人的環境交互能力依賴于感知與通信系統的性能，而 GaN 器件在高頻信號處理、抗干擾傳輸等方面的優勢，正在強化機器人的“神經末梢”功能，使其更精準地感知環境、更可靠地傳輸數據。

在新能源汽車中，GaN就在激光雷達領域展現出巨大的潛力，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 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%，解決了傳統方案的發熱問題。

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 數據采集延遲壓縮，為動態平衡控制提供了實時數據支撐。

不僅如此，在無線通信領域，GaN 射頻器件增強了數據傳輸的可靠性與距離。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，標志著人形機器人從“功能實現”邁向“性能優化”的新階段。其高頻低損、小型化、高功率密度等特性，不僅解決了傳統硅基MOSFET在關節驅動、電源管理等環節的瓶頸，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、良率提升和規模效應的放大，其成本有望持續下探。此外，氮化鎵的封裝技術和驅動IC的優化，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，力求在效率與成本上獲得先發優勢。

英諾賽科擁有全球最大規模的8英寸硅基氮化鎵晶圓生產基地（蘇州、珠海）。截至2024年末，英諾賽科晶圓產能達1.3萬片/月，未來計劃將產能擴充至2萬片晶圓/月，產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8英寸晶圓，12英寸氮化鎵晶圓可在單位面積上產出更多的芯片，這不僅提升了生產效率，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，涵蓋從關節驅動、智能傳感、邊緣計算到安全互聯等各個環節。目前，英飛凌已與超過20家機器人產業鏈公司達成合作，其創新的氮化鎵關節方案能有效減輕機器人重量、延長電池續航；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，芯聯集成也將AI列為公司四大戰略市場之一。目前，芯聯集成已實現量產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，芯聯集成還與具身智能機器人企業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，進一步優化量產工藝。

以納微半導體為代表的Fabless企業，致力于強化供應鏈，推動創新、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 英寸產線進行氮化鎵芯片的生產。如今，臺積電決定于2027年前逐步退出GaN晶圓代工業務。今年7月消息，納微半導體宣布已與力積電建立戰略合作伙伴關系，正式啟動并持續推進8英寸硅基氮化鎵技術生產。力積電將為納微半導體生產100V至650V的氮化鎵產品組合。

隨著技術成本的下降和產業鏈的成熟，GaN有望成為人形機器人產業的“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。這場由材料創新引發的變革，正在重新定義機器人的能力邊界。

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