Переосмысление мощности: Инновации GaN для центров обработки данных и гуманоидов

На форуме Bodo Power Systems Wide Band Gap в Монако основатель и генеральный директор компании EPC Алекс Лидоу задал тон дискуссии о GaN, подчеркнув значительные преимущества нитрида галлия (GaN), опираясь на пятидесятилетний опыт работы в области силовых полупроводников. Выступая вместе с экспертами из компаний Texas Instruments, Navitas, Infineon, Toshiba, Volkswagen и Mitsubishi, он заявил, что GaN является лучшим выбором для низковольтных и высокочастотных систем - от центров обработки данных с искусственным интеллектом и гуманоидных роботов до автономных транспортных средств и LiDAR. В то время как SiC остается лучшим выбором для высоких напряжений, Лидоу отметил GaN как экономически эффективную технологию, которая уже изменила структуру питания в точках нагрузки и многое другое.

Лидоу указал на ключевое пересечение стоимости GaN’, сказав, что EPC впервые предсказала кремниевый паритет в 2014 году и достигла его к 2015 году. Он рассказал о “магии размера матрицы”: GaN-устройства примерно в десять раз меньше кремниевых МОП-транзисторов того же типа. Это делает пластины более дорогими, но конечные продукты в целом дешевле. Эта особенность позволила многим использовать их почти 10 лет назад, особенно в низковольтных областях, где требуется высокая производительность.

Лидоу отметил, что первые 100-вольтовые GaN-устройства были представлены 20 лет назад, поскольку именно в этих областях заказчикам изначально требовались более быстрые и компактные решения. Эта стратегия сохраняется до сих пор: “С нашим седьмым поколением мы’- теперь глубоко погрузились в преобразователи с точечной нагрузкой, работающие на более высоких мегагерцах. А размеры рынка растут по мере перехода к более низким напряжениям” Он отметил 48-вольтовые объединительные платы для центров обработки данных как одну из самых быстрорастущих возможностей.

Говоря об архитектурах устройств, Лидоу подтвердил консолидацию низковольтных устройств вокруг GaN с улучшенным режимом (e-mode): переключение питания теперь предпочитает монолитные конструкции e-mode, что упрощает интеграцию по сравнению с каскодами или прямыми приводами при более высоких напряжениях.

Лидоу рассказал об упаковочном пути EPC, отметив, что ранние устройства масштаба микросхемы обеспечивали сверхнизкую индуктивность, низкое сопротивление и отличные тепловые характеристики, но их хрупкость и жесткие выводы в конечном итоге ограничивали их применение. Эти проблемы были решены переходом на корпуса PQFN. Плотная внутренняя компоновка обеспечивает низкий уровень паразитных наводок, обратная сторона имеет мощные тепловые пути, а сам корпус теперь поглощает тепломеханические нагрузки, которые являются единственным реальным режимом износа для широкополосных устройств.

По словам Лидоу, надежная тепломеханическая конструкция в конечном итоге определяет надежность широкополосных устройств. При правильном проектировании прочные атомные связи GaN’ делают его очень эффективным при перегрузках, а превосходное производство сводит к минимуму внешние дефекты. Он связал эти характеристики со значительными технологическими достижениями, отметив, что растущее влияние GaN на общество проявляется в его роли в обеспечении LiDAR, питании инфраструктуры искусственного интеллекта и управлении двигателями роботов.

Лидоу продемонстрировал всем решение для центра обработки данных, в котором показан преобразователь 800 В в 12 В мощностью 6 кВт толщиной всего 8 мм и КПД 98 %, достигнутый благодаря чередованию восьми уровней GaN на мегагерцовых скоростях. В топологиях с разделением напряжения проще подключать несколько индукторов параллельно. Последовательные соединения лучше работают при более высоких напряжениях, а параллельные - при масштабировании мощности. Он посоветовал переосмыслить старые конструкции с учетом нового метода укладки.

Он подчеркнул зрелость GaN, отметив, что устройства седьмого поколения способны выдерживать 1,8 млн ампер на квадратный миллиметр, что больше, чем у меди, и требует нового подхода к системам. Участники дискуссии сошлись во мнении, что в то время как искусственный интеллект подталкивает системы питания к мегаваттным масштабам, GaN остается непревзойденным в областях с низкой плотностью энергопотребления. С появлением паритета стоимости и ростом эффективности на уровне стоек Лидоу считает, что GaN движется по ускоряющейся и неостановимой траектории (рис. 1).

Рис. 1: Докладчики дискуссионной группы

Элементы питания GaN обеспечивают следующее поколение гуманоидных роботов

По мере того как ИИ и автономные системы расширяют границы технологий, создается новый тип машин: гуманоидные роботы, которые могут двигаться так, что выглядят как живые. GaN обеспечивает небольшие и мощные источники питания, которые требуются этим системам.

Алекс Лидоу, генеральный директор EPC, выступил с ключевым докладом на мероприятии Bodo в Мюнхене и заявил, что GaN является ключевой частью революции в робототехнике. “Через двадцать лет мы оглянемся на это время и назовем его эрой ИИ и робототехники. GaN действительно сияет, когда речь идет о производительности, ” сказал он.

По мнению различных аналитиков, в ближайшие годы ожидается рост рынка человекоподобных роботов, обусловленный спросом на технологии вычислительной и силовой электроники, способные соответствовать все более высоким уровням интеграции и эффективности. В связи со старением общества и снижением рождаемости, особенно в развитых странах, потребность в автоматизированном труде становится все более острой. Гуманоидные роботы становятся практичным решением проблемы нехватки рабочей силы в промышленности и сфере услуг. В настоящее время сдерживающим фактором является стоимость, а также проблемы проектирования, включающие не только аппаратное, но и программное обеспечение, в том числе программирование, адаптацию и способность обучаться в различных неожиданных ситуациях. Преодоление этих проблем позволит обществу интегрировать роботов в повседневную жизнь и работу.

Двигатель - это то, что дает каждому роботу его силовая электроника. Это бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), которые приводят в движение различные части тела. Типичный робот имеет более 40 двигателей, каждый из которых питает разные части тела - пальцы, колени и так далее. Количество энергии, необходимое этим двигателям, зависит от того, что они делают. Эти достижения стали возможны благодаря передовой силовой электронике, которая отличается высокой эффективностью, малыми размерами и надежностью. Именно здесь на помощь приходят силовые транзисторы и интегральные схемы (ИС) на основе GaN.

Согласно отчету Bank of America за 2025 год, приведенному в отраслевом анализе, ежегодные продажи гуманоидных роботов могут достичь 1 миллиона единиц к 2030 году, а к 2060 году их число достигнет 3 миллиардов - почти по одному на каждые три человека на планете. Такой взрывной рост согласуется с прогнозами Goldman Sachs о глобальном рынке гуманоидов объемом 38 миллиардов долларов к 2035 году, на котором потенциально может быть развернуто от 3 до 27 миллионов единиц по всему миру, особенно для выполнения опасных задач, требующих защиты людей. Эти прогнозы, вызванные старением населения, нехваткой рабочей силы и развитием искусственного интеллекта, подчеркивают растущий спрос на универсальные гуманоидные платформы для промышленных, сервисных и потребительских приложений.

GaN поможет сделать системы меньше, терять меньше энергии и лучше работать при экстремальных температурах. Нитрид галлия в основном используется в гуманоидных роботах для поворотных приводов, ловких рук, линейных приводов, интеллектуального восприятия, систем искусственного интеллекта и управления, аккумуляторов и зарядных устройств. Новейшие силовые микросхемы на основе GaN имеют встроенные FET, драйверы и защиту. Это упрощает разработку модулей приводов для роботизированных рук и кистей, что трудно сделать с отдельными МОП-транзисторами.

Преимущества GaN в современных архитектурах моторных приводов

Большинство гуманоидных роботов используют бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), работающие при напряжении около 48-60 В - идеальный диапазон для возможностей GaN. Эти двигатели должны обеспечивать высокий крутящий момент и быстрый отклик при минимальном весе и нагреве.

Традиционные кремниевые МОП-транзисторы, несмотря на свою надежность, становятся ограниченными при таких напряжениях из-за больших потерь на переключение и обратного восстановления диодов корпуса. В приводах на основе МОП-транзисторов мертвое время управления, вставляемое между комплементарными переключателями, предотвращает пробой, но при этом увеличивает искажения и потери, поскольку в течение этого интервала доминирует проводимость диода корпуса или канала. В электроприводах на основе MOSFET увеличение мертвого времени часто предполагается для снижения потерь, связанных с диодами. На самом деле обратное восстановление не предотвращается увеличением мертвого времени: оно происходит после интервала мертвого времени и только во время жестких переключений, в зависимости от направления тока двигателя во время коммутации фаз. Это приводит к излишней проводимости диодов в мертвое время, увеличивая потери и снижая КПД. В типичных конструкциях мертвое время может занимать до 6 % цикла переменного тока.

Поскольку GaN-устройства сочетают нулевое обратное восстановление с очень быстрым переключением, разработчики могут безопасно минимизировать мертвое время всего до нескольких десятков наносекунд, резко снижая связанные с мертвым временем искажения и потери, но при этом предотвращая пробой. Работа двигателей BLDC на частотах до 100 кГц, а не на традиционных 20 кГц, дает ощутимый выигрыш в крутящем моменте, уменьшении размеров и надежности.

От электролитики к керамике

Одно из менее очевидных преимуществ высокочастотной работы заключается в том, что она позволяет заменить большие, ненадежные электролитические конденсаторы на маленькие, надежные керамические. Электролитические конденсаторы разрушаются при повышении температуры и могут выйти из строя при тряске или механическом воздействии, что часто встречается в мобильных роботах. GaN обеспечивает более высокую частоту переключения, что позволяет инженерам разрабатывать более компактные, легкие и прочные приводы, которые лучше работают в условиях высоких температур.

Эволюция GaN-модулей питания

EPC начала свою деятельность в этой области с производства полумостовых модулей GaN на чипах для людей, только начинающих использовать роботов. Их успех привел к появлению второго поколения, которое было выполнено в корпусе (QFN), что упростило его использование и позволило лучше контролировать нагрев. По словам Лидоу, “большинство приложений, связанных с электроприводами, имеют низкий объем и требуют больших инженерных затрат”, а инженерам не нравятся устройства в масштабе микросхемы, потому что с ними трудно работать.

Когда инженеры начали использовать эти модули в роботизированных приводах, таких как руки, плечи и запястья, сочетание производительности и полезности привело к их широкому распространению. Сегодня многие гуманоиды используют приводы на основе GaN для двигателей конечностей. Эти преобразователи часто меньше, чем платы MOSFET, которые они заменяют, но обеспечивают такую же или большую мощность.

Компания EPC развила этот успех, разработав трехфазные блоки с тремя полумостами в одном термоэффективном корпусе. Такая схема похожа на стандартную трехфазную конструкцию для бесщеточных двигателей постоянного тока, что позволяет уменьшить размеры платы и упростить конструкцию. Задняя панель устройства находится под потенциалом земли, поэтому радиаторы можно устанавливать напрямую, без изоляционных слоев. Такое расположение делает устройство еще более теплоэффективным (рис. 2).

Рисунок 2: Блок-схема EPC33110

EPC33110 - это высокопроизводительный модуль трехфазного электропривода, построенный на монолитных GaN-полумостах и встроенном драйвере затвора, предназначенный для BLDC-моторов в беспилотниках, робототехнике и гуманоидных системах. Он поддерживает входное напряжение до 80 В при очень низком типичном RDS(on) 8,7 мОм на GaN FET, что обеспечивает высокую эффективность и быстрое переключение. Входы логического уровня (совместимые с 3,3 В/5 В) упрощают управление. Компактный корпус QFN размером 6 6,5 мм обеспечивает отличные тепловые характеристики и высокую плотность мощности. Модуль поддерживает ШИМ до 100 кГц и может выдавать до 20 ARMS на фазу, что позволяет уменьшить размер и вес системы и улучшить динамический отклик.

На пути к интеграции монолитных моторных приводов

Если первые корпуса GaN’ были большим шагом вперед в плотности системы, то следующее поколение выводит интеграцию на новый уровень. В устройствах третьего поколения EPC, которые выйдут в 2026 году, используется новейшая технология GaN FET, позволяющая уместить больше функций в меньшем пространстве.

Размер каждого модуля составляет всего 3 3 мм, но при этом он способен выдерживать ток до 35 А и включает встроенные функции безопасности, такие как защита от перегрузки по току и перегрева, предотвращение прострела и низкий ток покоя. Прямое тепловое соединение матрицы с подложкой корпуса обеспечивает быстрый отвод тепла даже при высокой плотности мощности.

Следующий большой шаг, названный “Trinity,”, объединяет все три фазы двигателя на одном GaN-чипе. Это означает, что привод двигателя находится в одном небольшом корпусе, к которому нужно подключить только контроллер и датчики. Первые испытания в лаборатории EPC’ показали, что такая архитектура может управлять несколькими роботизированными осями с платы размером меньше кредитной карты (рис. 3).

Рисунок 3: Эволюция микросхем EPC. Третье поколение выйдет в мае-июле 2026 года.

Масштабирование инноваций по областям применения

Хотя эта технология разработана для гуманоидов и роботов совместного действия, она естественным образом распространяется и на другие системы с батарейным питанием. Легкие и высокоэффективные GaN-приводы одинаково ценны в беспилотниках, электронных велосипедах и точной промышленной автоматизации. Преимущества - меньший форм-фактор, более высокий КПД и более длительный срок службы - напрямую распространяются на все эти платформы.

Модульный путь развития компании EPC иллюстрирует, как инновации на основе GaN переходят от передовой робототехники к более широким рынкам. "Вы выбираете вершину пирамиды и разрабатываете что-то действительно хорошее для нее, - заключает Лидоу, - и в конечном итоге это начинает просачиваться во все остальные области применения двигателей постоянного тока".

Возрождение эры производительности

По мере того как системы становятся все более быстрыми, гибкими и автономными, их силовые каскады должны развиваться соответствующим образом. Устройства на основе GaN могут переключаться на порядок быстрее, чем аналогичные кремниевые МОП-транзисторы, что позволяет повысить рабочие частоты, уменьшить потери и повысить общую эффективность системы. Эта высокоскоростная способность также позволяет заменить громоздкие электролитические конденсаторы небольшими надежными керамическими устройствами, снижая вес и повышая прочность компактных гуманоидных и беспилотных платформ. Более того, нулевой заряд обратного восстановления GaN устраняет потери на восстановление диодов в корпусе и связанное с этим тепловое напряжение и позволяет сократить мертвое время с сотен наносекунд до нескольких наносекунд, что снижает искажения, увеличивает крутящий момент на ампер и уменьшает акустический шум. GaN является наиболее предпочтительной полупроводниковой технологией для питания следующего поколения движений - от суставов человекоподобных роботов до двигательных систем беспилотников.

Об авторе

Маурицио Ди Паоло Эмилио, директор по глобальным маркетинговым коммуникациям компании EPC.