2025年是人形机器人量产元年，氮化镓（GaN）半导体正以“性能革命者”的姿态，缩短机器人从实验室走向规模化商用的距离。
相较于传统硅基芯片，这种第三代半导体材料凭借高频、高能效、耐高压等特性，成为破解机器人关节驱动精度、功率密度与散热难题的“金钥匙”，为机器人产业崛起做“镓”衣。从英诺赛科推出芯片方案，到意优科技应用于关节模组驱动，再到德州仪器等国际大厂，均纷纷前瞻布局氮化镓材料新产品。
机器人性能的“金钥匙”
7月的苏州艳阳高照，走进英诺赛科位于苏州的氮化镓芯片制造基地，沿着参观通道前行，无尘车间内超百台自动化设备以超高精度24小时不间断运转。
展开剩余85%作为全球范围内开创性实现8英寸硅基氮化镓晶圆量产的半导体企业，记者在英诺赛科展厅内看到，一块指甲盖大小的氮化镓芯片被置于展台中央。 据介绍，这颗芯片的开关速度极高，导通损耗比传统硅基器件降低70%。这颗不起眼的芯片，将成为机器人手腕关节的驱动核心，出现在未来量产机型中。
氮化镓是极具性能优势的第三代半导体材料之一。近年来，随着AI、电动汽车、机器人蓬勃兴起，相比传统硅材质，氮化镓凭借高频、高能效、耐高压、耐高温等综合优势在功率半导体领域崭露头角。
在机器人领域，氮化镓芯片相较于传统硅基芯片展现出多方面优势。英诺赛科产品开发部副总经理王怀锋在接受证券时报记者采访时指出， 氮化镓芯片具有更小的导通损耗、更低的开关损耗、没有反向恢复损耗以及更小的器件体积。这些优势在机器人关节电机驱动等关键应用中，切实解决了传统技术面临的诸多痛点。
“以关节电机驱动为例，氮化镓芯片能够提高电机功率，满足机器人高负荷载重需求。”王怀锋说，“它还能满足人形机器人对高精度动态控制的要求，比如灵活运动和平衡维持。利用氮化镓的高频特性，通过提升电机驱动的开关频率，从而减小关节电机的尺寸和重量，提升电机转换效率，延长机器人的续航时间。”
在载重机器人上，市场对于承重指标的需求在不断提升。譬如要求机器人在更小体积下实现大于100公斤承重，爆发功率需达到数十千瓦，而这一需求已远超硅基芯片的能力范围。 王怀锋强调，当机器人需要突破现有功率密度限制，实现如抱起老人等实用化场景时，氮化镓芯片将成为不可或缺的选择。
人形机器人集成多种子系统，在等同人类体积内保持复杂系统平稳运行，难以满足尺寸和散热要求，其中关节控制系统空间受限最大。集邦咨询指出，约40个电机及控制系统分布于机器人身体各部位，手部可能集成十多个微型电机，不同部位电机电源要求不同，且与传统系统相比，人形机器人关节系统控制精度、尺寸和散热要求更高。氮化镓芯片可以实现更精确的控制、减少开关损耗，并且其尺寸更小。
国际大厂同样密切关注氮化镓在人形机器人上的应用。今年2月，德州仪器就发表报告指出，氮化镓可以在高PWM频率下以低损耗轻松实现更高精度的电机控制。氮化镓的高功率密度特性与德州仪器的集成式驱动器的特性相结合，可进一步减小尺寸。由于这些优势，氮化镓电机驱动器可能会成为人形机器人的首选设计，带来更高效、更稳定和更智能的机器人设计。
与此同时，英诺赛科、中科无线半导体等国内企业正积极布局。据了解，英诺赛科的氮化镓产品已在人形机器人的多个核心部件和系统中实现应用并取得显著效果。其100V氮化镓产品已成功应用于人形机器人的上下身肢体关节，使功率提升了30%，转换效率提升5%。在48VDC/DC电源应用中，更是让电源体积减少30%，有效节省了机器人有限的空间。
此外，中科无线半导体近期也推出了首颗基于氮化镓可编程具身机器人动力系统芯片。
核心部件率先使用
在人形机器人产业爆发前夕，核心零部件厂商正成为技术突破的关键力量。作为人形机器人零部件头部供应商，意优科技在机器人关节模组领域的技术创新备受关注。而氮化镓半导体技术的引入，成为意优科技在机器人关节模组领域的重要布局。
位于江苏无锡的意优科技研发总部，有一条半自动化生产线，由机械臂与工人协同完成关节组装。据了解，不久前完成新一轮融资的意优科技，已在无锡锡山、上海张江两地布局了先进产能，预计2025年总产能将达到18万套。
意优科技技术总监李战猛表示，相较于传统硅基MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）器件，氮化镓器件在关节驱动层面具有寄生参数小、开关速度快、导通损耗小、封装紧凑等显著优势。这些特性带来了两方面的提升：一方面大幅减小了硬件电路面积，推动驱动系统小型化；另一方面提高了PWM控制分辨率，降低电流纹波，实现更精细的电流控制，从而提升关节电机的运动精度。
在效率表现上，传统硅基方案的效率通常在85%至95%之间，而氮化镓驱动器可实现98.5%以上的转换效率。“这意味着在相同面积下，我们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。”李战猛表示。
目前，意优科技已将英诺赛科的氮化镓芯片ISG3204应用于关节内部驱动板。考虑到不同规格关节模组的电流需求差异，意优科技在功率器件选型上采取了精细化策略。 “小功率关节应用中，氮化镓方案可以节省板内面积、减少分立元器件数量，帮助降低成本。”
事实上，成本问题是氮化镓芯片推广应用的重要因素。在机器人领域，国内半导体厂家正通过释放规模效应、提升良率、改善工艺等方式降低氮化镓制造成本。
英诺赛科是全球首家实现8英寸硅基氮化镓晶圆量产的企业，这项技术相比行业常见的6英寸晶圆，能使单片晶圆晶粒产出提升80%，单颗芯片成本降低30%。随着产能进一步扩大，单位固定成本将显著降低。此外，通过优化外延缓冲技术和工艺参数，英诺赛科的晶圆良率已达95%，低缺陷率大幅减少了废品损失。
此外，英诺赛科推出合封芯片，将驱动电路、保护电路与氮化镓器件集成，简化了机器人关节电机驱动设计，减少外围元件30%以上。例如100W关节电机驱动模组已量产，在提升系统能效的同时，降低了整体系统成本。
尽管氮化镓技术优势显著，但大规模应用仍需突破验证关。李战猛坦言，氮化镓器件在消费电子领域已大规模普及，但在机器人电机驱动领域尚处于批量验证阶段。意优科技已在某些关节驱动型号中实现小批量生产，“从当前验证结果来看，我们认为规模化量产的时间点会比较快，但仍需要一定时间和大批量的产品验证。”
支撑机器人千亿市场
当前，人形机器人产业正处于爆发前夕，但核心零部件领域仍面临诸多挑战。李战猛认为，硬件发展速度跟不上AI技术进步，是制约行业发展的重要因素。“软件在AI加持下发展迅猛，但硬件在材料、工艺等方面仍需突破。”李战猛指出，北京机器人马拉松出现的状况，就凸显电机发热、散热设计等硬件问题亟待解决。
尽管目前机器人产业仍处于发展早期，存在承重能力低、拟人化差等问题，但王怀锋认为，氮化镓芯片已经成为机器人性能进一步提升和量产落地的刚需，并透露，公司已全面执行下一代机器人的设计方案，有部分产品已经在头部客户实现量产。
据了解，英诺赛科与机器人厂商建立了基于技术互补、深入联合的合作模式。王怀锋指出，机器人厂商负责整个系统的定义和开发，基于系统需求，双方共同定义氮化镓的产品规格，英诺赛科交付相关氮化镓产品，并配合客户完成电机驱动的功率部分调试，解决系统测试过程中出现的问题。
对于未来市场增长潜力，王怀锋充满信心：“未来5年机器人会爆发式增长，因应用场景丰富，这个市场会比新能源汽车大100倍。未来的机器人，全身都会是氮化镓产品，将会成为氮化镓的最大应用市场。”
据了解，目前一台人形机器人包含大、小关节电机约30至40个，小关节使用3至6颗GaN器件，最大的关节需要使用24颗GaN器件，一台人形机器人共需要使用氮化镓器件约300颗。随着机器人自由度和功率密度的提升，单个机器人在电机驱动、GPU电源、BMS等部位使用的氮化镓器件数量有望超过1000颗。随着人形机器人产量的飞速增长以及性能的不断提升，未来氮化镓在该领域的需求势必会迎来爆发。
对于人形机器人未来发展，李战猛同样充满信心。“未来5年内，人形机器人将逐步进入工厂，替代枯燥、重复、危险的工作，形成百亿乃至千亿级市场；而站在10年的时间维度上，人形机器人有望像汽车一样走进家庭，成为具有万亿级市场的家用智能终端。”
责编：陈丽湘
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