2025-06-24 氮化镓器件在机器人系统中的关键应用

出品：机器人新材料

随着机器人朝着高性能、轻量化与智能化方向持续演进，电源管理、执行器控制与感知模块的性能要求日益严苛。氮化镓（GaN）功率器件，凭借高开关速度、低损耗和小体积等物理特性，正成为机器人系统核心部件的新选择，广泛用于电机驱动、激光雷达/ToF模组和DC/DC电源转换等领域。

电机驱动提升动态响应与控制精度机器人中大量采用的无刷直流电机（BLDC）对控制精度和响应速度要求极高。GaN器件的高频快速开关能力显著缩短了死区时间，提高了PWM控制分辨率，从而提升电机扭矩线性度与位置控制精度。GaN器件支持MHz级开关频率，在100 kHz条件下实现纳秒级上升/下降时间，远优于硅基MOSFET的数十纳秒水平。高频运行可减少电机绕组电流纹波、滤波器体积及EMI干扰，有效提升整机电磁兼容性。某类基于GaN器件的三相电机驱动系统，峰值输出电流可达15 A，占板面积低于2500 mm²，已在仓储机器人和医疗机器人中量产部署。

机器视觉支持高分辨率ToF与激光雷达系统机器视觉模块是机器人实现环境感知、自主导航的关键。基于GaN的激光脉冲驱动器具有极高的峰值电流和极短脉冲宽度，可显著提升测距精度与成像帧率。长距离激光雷达需驱动200 A量级的脉冲电流，脉冲宽度控制在3 ns以内，GaN器件可轻松支持，满足 >100 m 探测需求。短距离ToF摄像头需数百MHz重复频率，GaN器件开关频率可达200 MHz以上，实现亚毫米级深度分辨率。GaN器件的小尺寸（<10 mm²）优势，可集成于微型机器人、仿生机器人、服务型机器人头部传感模组中。

DC-DC电源模块提高系统能效与集成度机器人系统通常由多组电池供电，内部需将48V、24V、12V等不同电压相互转换。

GaN器件在中压DC-DC电源模块中具备显著优势：

GaN器件低导通电阻（如典型为2.5~6 mΩ）、零反向恢复特性使其在Buck-Boost电路中具备优越效率表现。与硅MOSFET方案相比，GaN DC-DC模块体积可缩小50%、效率提升至95%以上，适用于空间受限的小型机器人和穿戴型设备。高功率密度设计已在特种机器人（探测机器人、电力运维机器人）上部署，有效延长单次任务续航时间。

从器件性能到系统集成的多重价值GaN器件相比传统Si MOSFET，在关键性能参数上具备显著优势：这些特性使得GaN更适用于机器人这种要求高能效、小型化、响应快、寿命长的场景。

未来趋势从“器件替代”走向“系统优化”高度集成的GaN功率IC：将FET、驱动器、控制器集成于单芯片，实现电源模块与电机控制一体化设计。专用GaN SoP/SiP封装：适配不同形态机器人平台，包括手臂、底盘、仿生结构，推动标准化模块发展。国产化突破与自主可靠性认证：降低进口依赖，实现在高可靠机器人平台，如军用、核电中的合规应用。