快充赛道爆发！损耗降三倍，三代半破局机器人充电焦虑

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）随着AI、自动化等技术的发展，机器人的应用场景不断扩大，从工业制造、物流运输、医疗护理、教育服务等多个领域延(yán)伸(shēn)。然而，随着机器人应用边界的拓展，其对续航能力和充电能力的要求也随之增加，传统充电方式已难以满足新一代机器人对于快速补能、高效运行的需求，如何满足机器人的充电需求成为新的话题。

当前，机器人可以分为四类，一个是以扫地机为代表的家用机器人，二是以AGV机器人为代表的物流仓储机器人，三是工业机械臂，四是人形机器人。TrendForce集邦咨询提到人形机器人续航时间基本在2小时到6个小时左右，充电实现约为1小时左右。

该如何实现快速的电量补充，第三代半导体技术在机器人的充电问题上，可以发挥出哪些作用，产业链玩家都推出了哪些解决方案适配市场需求呢？


机器人充电功率升级，GaN/SiC成充电新宠

与传统Si MoS相比，第三代半导体GaN、SiC有着明显的优势。其中GaN的优势包括低器件损耗、低死区时间、高开关性能。这些优势让其适用于人形机器人的多个方向，包括旋转执行器的无框力矩电机、灵巧手中的空心杯电机、智能感知系统的雷达、电池中的BMS、充电器中的AC/DC，以及AI及控制系统的DC/DC等。

镓奥科技市场总监戚永乐在公开演讲中分享了一组数据，他提到，按照单台人形机器人GaN器件总用量约需200颗/台(中值估算)，预计到2031年，全球人形机器人出货量预计达到100万，将带来大约2亿颗GaN 晶体管的需求。

人形机器人的充电功率通常在600W到3000W左右，具体数值取决于其任务需求、电池容量以及运行时的能耗水平。随着对机器人续航能力和工作效率要求的不断提高，提升充电功率成为一种趋势。

然而，充电功率的提升也带来了技术挑战。一是发热问题，高功率充电过程中会产生大量热量，若散热不及时或设计不合理，会影响系统稳定性。二是尺寸问题，为了承载更大功率，充电模块的体积和重量随之增加，不利于机器人轻量化、紧凑化的设计目标。三是噪声问题，高功率运行还可能引发电磁干扰和机械噪声等问题，影响机器人在人机协作环境中的使用体验与安全性。

与传统Si MoS相比，GaN、SiC器件能够在一定程度解决上述问题，因此也受到机器人供应链企业广泛关注与布局。例如在DC-DC电源的应用中，GaN DC-DC电源的功率密度可达传统硅基方案的2-3倍，紧凑的设计，将电源体积缩小40%。

GaN功率器件有着优秀的散热性能，镓未来研发&市场总监张大江在公开演讲时介绍，在直流电压240V、升压到400V，工作频率100KHz的图腾柱PFC电路中，GaN电路的转化效率在1000W以上可以做到99%的转换效率，整体来看从500W到3000W能做到98%。而采用传统的Si器件，峰值效率只能99%。两者损耗实际上相差了三倍。“这对于大功率充电来讲，散热性能会产生很大的差异。散热相差三倍，也可以说能够实现的功率密度相差三倍。”

图源：稼未来

当然，在机器人等大功率应用场景中，SiC、GaN有着不同的优势。张大江表示，SiC适用于大功率、高电压，且开关频率和功率度高于硅器件；GaN适用于中等功率，电压通常在100V~900V具有最高的开关频率和功率密度。

此外，SiC、GaN在成本上的表现也不一样，英嘉通CTO蒋胜表示，随着SiC产业的不断成熟，单片SiC wafer成本相比2024年同期已下降超过100%，趋势还将继续。他提到，等效规格对比单片6 inch gross die，SiC产出相比GaN可超过50%，相比CoolMOS超出大于450%，相比VDMOS超出大于750%。


GaN/SiC创新快(kuài)充(chōng)，传(chuán)统方案同步进化

目前，业内已有多家厂商推出面向机器人市场的GaN、SiC的充电解决方案。

在基于GaN的充电解决方案方面，英诺赛科、稼奥科技已经推出了各自的充电方案。

针对机器人AI大脑及控制系统的供电，英诺赛科提供了1.2KW输出功率、48V到12V高效电压转换的解决方案，采用了3.5毫欧的GaN功率器件，在满足机器人小型化与轻量化的同时提升了整体能效。

英诺赛科还推出了针对机器人的快充解决方案，能够提高机器人的使用效率，其推出的240W AII GaN BTP PFC+LLC解决方案，具备三大优势，一是高效率，系统效率可达97%(230Vac)，在低电压输入（90Vac）下也能实现95.2%的效率有效减少能量损耗。二是小体积，PCBA尺寸为85.5*58*20.5mm，适合集成于结构复杂的机器人本体中；三是高功率密度，达38.7W/in3(PCBA)。

镓奥科技同样推出了机器人充电机方案，镓奥科技市场总监戚永乐介绍，公司推出了CL-PAS-1600-48A是国际通用电压范围输入AC/DC电源模块，适应于额定 200~240Vac 交流输入电压。转换效率高达 93%。

在基于SiC的充电解决方案的进展方面，英嘉通发布了8款规格的750V SiC MOS产品，包括IGC060R075系列等。

其750V SiC MOS产品具备四大优势：一是高温特性，相同规格器件，在125度下，SiC MOS器件RON减少40%。二是其750V SiC MOS产品雪崩击穿电压850V以上，使用更安全相比；且与GaN产品，避免了耐压上的过量设计(jì)，具(jù)有(yǒu)成(chéng)本(běn)优(yōu)势(shì)。三(sān)是(shì)在(zài)动(dòng)态(tài)电(diàn)阻(zǔ)方(fāng)面(miàn)，对(duì)于(yú)GaN来(lái)说(shuō)，高(gāo)压(yā)硬(yìng)开(kāi)关条(tiáo)件(jiàn)下(xià)动(dòng)态(tài)电(diàn)阻(zǔ)依(yī)旧(jiù)是(shì)很(hěn)大(dà)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)，SiC MOS 没有动态电阻问题。四是短路问题，这是GaN器件的挑战之一，但SiC MOS器件通过设计可以应对超过15us以上的短路时间。英嘉通750V SiC MOS产品的短路时间设计值2.5us。五是成本优势。六是可(kě)靠(kào)性(xìng)优(yōu)势(shì)。

当(dāng)然(rán)，基(jī)于(yú)SiC和(hé)GaN第(dì)三(sān)代(dài)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)的(de)充(chōng)电(diàn)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)有(yǒu)其(qí)创(chuàng)新(xīn)性(xìng)和(hé)优(yōu)势(shì)，这(zhè)并(bìng)不意味着传统的基于硅材料的充电方案已经可以被放弃，毕竟传统方案在成本和成熟度方面具有优势。

因此也有不少深耕传统充电解决方案的电源管理芯片公司也针对机器人的充电问题推出快充方案。例如昂宝电子推出了48V 机器人快充解决方案。该方案采用了先进的 AHB（不对称半桥）拓扑架构，并结合昂宝自主研发的多款高性能电源管理芯片，包括OB2627（高度集成的 USB PD3.1 接口控制器）、OB2793（高压控制器芯片）、OB6560（高压协议识别芯片）和OB6669（数字接口控制器）构建了一个智能化的快充系统。

根据介绍，AHB 拓扑融合了反激变换器和不对称半桥的技术优势，能够显著降低开关损耗，提高了整体转换效率，能够在大电流场景中实现快速的动态响(xiǎng)应(yīng)。同(tóng)时(shí)，该(gāi)方(fāng)案(àn)支(zhī)持(chí) 3.3 - 60V 宽(kuān)范(fàn)围(wéi)输(shū)出(chū)，结(jié)合(hé)快(kuài)充(chōng)协(xié)议(yì)的(de) 10mV 级(jí)电(diàn)压(yā)步(bù)进(jìn)调(diào)节(jié)，可(kě)精(jīng)准(zhǔn)适(shì)配(pèi)不(bù)同(tóng)机(jī)器(qì)人(rén)电(diàn)池(chí)包(bāo)的(de) CC - CV 充(chōng)电(diàn)曲(qū)线(xiàn)，提(tí)升(shēng)了(le)系(xì)统(tǒng)的(de)兼(jiān)容(róng)性(xìng)，还(hái)省(shěng)去(qù)了(le)传(chuán)统(tǒng)方(fāng)案(àn)中(zhōng)所(suǒ)需(xū)的(de)额(é)外(wài)充(chōng)电(diàn)管(guǎn)理(lǐ)电(diàn)路，有(yǒu)效(xiào)减小了系统体积，降低了整体成本。

48V 机器人快充解决方案中，能够支持包括 USB PD3.1 EPR 48V以及 BC1.2 DCP 等多种主流(liú)快(kuài)充(chōng)协(xié)议(yì)，并(bìng)可(kě)通(tōng)过(guò) USB PD 协(xié)议(yì)与(yǔ)电(diàn)源(yuán)端(duān)进(jìn)行(xíng)通(tōng)信(xìn)，自(zì)动(dòng)完(wán)成(chéng)协议协商。这对于需要频繁操作且工作周期短的机器(qì)人(rén)来(lái)说(shuō)至(zhì)关重(zhòng)要(yào)，能(néng)够(gòu)大(dà)幅(fú)提(tí)高(gāo)工(gōng)作(zuò)效(xiào)率(lǜ)。


小(xiǎo)结(jié)：

随着机器人产业链的不断完善，未来机器人之间的竞争将不再仅仅局限于算法、感知或执行能力，而是转向包括供电系统在内的整体性能比拼。目前，英诺赛科、镓奥科技、稼未来、英嘉通、昂宝电子等企业积极布局机器人快充相关解决方案，并推出基于GaN/SiC器件、AHB 拓扑架构等先进技术平台的产品，在成本控制、散热与充电效率等方面展现出竞争力。未来，机器人供电系统的演进将呈(chéng)现(xiàn)“新(xīn)材(cái)料(liào)突(tū)破(pò)+传(chuán)统(tǒng)方(fāng)案(àn)升(shēng)级(jí)”并(bìng)行(xíng)的(de)发(fā)展(zhǎn)格(gé)局(jú)，推(tuī)动(dòng)整(zhěng)个(gè)产(chǎn)业(yè)向(xiàng)更(gèng)高(gāo)效(xiào)、更(gèng)智(zhì)能(néng)的(de)方(fāng)向(xiàng)迈(mài)进(jìn)。