过去几年，宽禁带半导体的应用实现了惊人的增长，这似乎是一个取代传统硅产品的 consolidated 趋势。碳化硅已成功瞄准电动汽车和充电基础设施，而氮化镓高电子迁移率晶体管最初则在消费类应用(主要是充电器和适配器)中取得了进展。然而，氮化镓的用途远不止于作为简单的mosfet替代品来制造更薄、更轻的充电器。

该技术源于早期主要用于蓝色LED和射频功率放大器的研究，但它展现出了卓越的电场强度和电子迁移率。这些特性与其制造“方式”完美契合。与需要多个高温扩散步骤来创建掺杂区的硅功率元件不同，氮化镓HEMT的特性源于外延层堆叠的材料界面，而非体掺杂分布。

其电气特性和可制造性——显著更低的导通电阻、极快的开关能力、高封装密度以及易于集成到现有硅晶圆厂——使该技术成为拓展至新领域的理想选择：人形机器人和下一代数据中心的电源系统。

氮化镓契合新兴应用需求

人形机器人需要高效率的电源产品以延长电池寿命，以及高扭矩密度和快速开关器件来驱动电机，实现精确、逼真的肢体运动。

另一方面，超大规模数据中心和数据中心的配电将利用新的800V直流架构，在该架构中，减少的电压转换级数需要更高的效率，而氮化镓场效应晶体管恰好具备这些条件。

在这两种情况下，氮化镓所实现的高开关速度、低损耗和高功率密度都是满足新电源架构要求的关键因素。

为了解氮化镓最终如何从消费应用的“商品”概念转变为面向先进市场的专用器件，我们采访了宜普电源转换公司首席执行官Alex Lidow，讨论了公司的战略以及为这些市场服务的准备情况。

Lidow表示：“EPC自2019年以来就一直涉足AI服务器和人形机器人领域。这两个应用，加上卫星电力输送和自主机器，已经构成了EPC业务的大部分。这四个应用预计在未来几年都将实现非常高的增长。”

氮化镓最初是在快充市场亮相的。当被问及有哪些线索表明氮化镓最终准备好主导工业机器人技术和企业数据中心时，Lidow说：“早在基于氮化镓的快充充电器问世之前，EPC的氮化镓晶体管就已经应用于AI服务器、人形机器人和自动驾驶汽车的激光雷达系统。EPC的氮化镓晶体管已通过AEC认证，可用于汽车，并已在车辆中使用14年。快充充电器是第一个真正直接接触消费者的应用，但绝不是氮化镓的第一个大批量应用。”

高功率GPU挑战氮化镓封装设计

Lidow以AI数据中心的GPU最新进展为例，解释了无休止的技术微缩与日益加剧的散热限制——这两股看似对立的力量——之间的最佳平衡点。他说：“AI服务器的功率需求正以惊人的速度增长。Blackwell GPU的功率需求在1000到1400瓦之间，但Vera Rubin级别的处理器需求将在2300到3600瓦之间。随着功率和电流密度的增加，PCB和封装面临的压力也更大。”

Lidow补充道：“为了应对这一点，封装必须具有极低的电阻和电感。低电感至关重要，因为处理器需要非常快速的电流变化。封装还需要双面冷却来散热。这也意味着开关器件必须非常快速且高效，这就是为什么氮化镓集成电路有望占据主导地位。”

他说：“PCB电阻也很重要，因此封装必须非常靠近GPU。最高效的方法是将最终功率级直接放在服务器板上的GPU下方。垂直供电、极低电感和电阻、液冷，再加上极快的氮化镓IC，这将是未来负载点供电系统的形式。”

迈向超大规模数据中心

按照当前数据中心部署的速度，在日益密集的AI工作负载驱动下，电网将承受过大压力，导致局部能源分配失衡。虽然可再生能源和其他可持续替代方案有助于减少对化石燃料的依赖，但当前数据中心的配电架构亟需大幅修改。因此，Nvidia倡导采用800V直流系统也就不足为奇了。

在硅材料难以满足新要求的情况下，氮化镓产品(包括分立器件和IC)作为可行的解决方案迅速介入。这引发了其他问题：氮化镓在此架构转型中处于什么位置?氮化镓的下一个突破是什么：更高电压、集成化、单片式解决方案，还是全新的系统架构?

Lidow说：“随着GPU从Blackwell代过渡到Vera Rubin代，其所需功率增加，数据中心的配电方式也在随之改变。主流提议是将交流/直流转换以及功率因数校正移到一个‘边车’机架中，同时通过800V直流总线向各个服务器机架配电。这为800V和服务器板之间的供电新架构开辟了机遇。”

他补充道：“ISOP架构几乎是从800V转换到50V、12V甚至6V的理想选择。该架构使用多个交错级联，将800V电压均匀分配到直流/直流转换器上，这些转换器的输入端串联，输出端并联。目前最佳的设计使用150V的氮化镓晶体管作为LLC电路的原边，每级输入电压为100V。输出器件取决于输出电压：150V晶体管是50V输出的理想选择;采用EPC最新第七代技术的40V晶体管是12V输出的理想选择;15V第七代氮化镓晶体管是6V输出的理想选择。”

Lidow说：“最后一级，即从中间总线电压到为GPU供电的负载点，需要极高的效率、小巧的尺寸和极快的瞬态响应。这些最好由氮化镓集成电路提供，EPC正在研发中。”

人形机器人的普及

人形机器人是仿人机器人的一个子集，它们不一定完全像人，但旨在通过复制具有大量自由度的运动来模仿和替代人类。

其用途潜力巨大，从家务劳动到处理放射性废物和排雷等危及生命的任务。根据高盛研究公司的数据，到2035年，人形机器人的潜在市场总额可能达到380亿美元，是此前估计60亿美元的六倍多。

为了有效地与环境交互，人形机器人需要在毫秒级内执行动作。这给设计人员带来了挑战，他们必须处理从几十瓦到几千瓦不等的各种电机和功率水平。此外，驱动肢体需要多达10个电机来复制全套动作。因此，由于空间极其有限，高集成度变得势在必行。

人形机器人在重量、热管理和电池寿命方面必须遵守严格的规定。探究氮化镓究竟在哪些方面比硅MOSFET创造了独特的系统级优势，是一件很有趣的事情。此外，无人机可被视为这类机器人的“飞行”子集，即使其任务概况与机器人不尽相同。

高频开关

人形机器人电机驱动中的一个主要问题是扭矩纹波：需要高频来减少这种波动并保证精确的运动控制。氮化镓FET具有低栅极电荷和低电容，同时没有反并联二极管(反向恢复电荷为零)，这与硅MOSFET不同，后者必须使死区时间足够长，以避免桥式配置中开关的交叉导通。这些特性使其非常适合高频运行和降低开关损耗。

Lidow说：“氮化镓晶体管和IC的开关速度比硅快，并且没有需要系统死区时间来恢复的反向二极管。在电池供电系统中，通过将开关频率从20kHz提高到100kHz，电机效率更高，可以省去占用大量空间并增加重量的电解电容，并消除了硅MOSFET所需死区时间造成的效率损失。”

他补充道：“此外，消除死区时间也消除了六次谐波振动，这种振动在使用MOSFET时会使精确运动变得困难，并增加电机轴承的磨损。更高的开关频率还能实现更精确的运动，这对人形机器人非常有价值。”

一个结论是明确的：如果没有氮化镓的速度，机器人的手会因六次谐波震颤而抖动——这对于进行外科手术切口来说绝非安全状态。