氮化镓如何驱动机器人的运动、感官、大脑(一)——氮化镓器件如何在人形机器人的运动领域发挥作用

2024-10-24 EPC宜普电源公众号
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前言

世界正进入一个新的自动化时代,机器人变得越来越复杂,能够执行过去只由人类完成的任务。这场变革的前沿代表便是人形机器人,它们的设计模仿人体的形态和功能。它们不仅仅是机器,而是需要先进电力电子技术保障高效运作的复杂系统。


全球人形机器人市场在未来几年内有望实现显著增长。随着社会老龄化和出生率下降,特别是在发达国家,医疗保健、老年护理、制造业、服务业都越来越需要自动化劳动力,人形机器人正在成为解决各个领域劳动力短缺的可行方案。



然而,人形机器人的落地仍然受到一些因素制约,如制造成本、响应速度、编程和设置机器人的成本,以及它们处理意外情况的能力。如何克服这些挑战决定了人形机器人的普及速度,并最终决定了机器人将如何融入我们的日常生活和工作中。


多项技术趋势正在推动人形机器人的发展,其中成本和功能是最重要的。提供高效率、紧凑尺寸和可靠性的先进电力电子技术是这些进步的核心。这就是氮化镓(GaN)功率晶体管和集成电路IC)发挥的关键作用。


本系列文章作者为EPC首席执行官兼联合创始人Alex Lidow,分三篇讲述了氮化镓器件如何在人形机器人的运动、感官、大脑三个重要领域发挥作用,推动人形机器人的发展。


人形机器人的运动功能


● 运动控制:机器人运动的核心


所有人形机器人的核心都是其模仿人类移动的能力。这是由无刷直流电机(BLDC)实现的,这些电机负责驱动机器人的关节、四肢和其他机械部件。通常一个人形机器人配备了大约40个BLDC电机,每个电机驱动机器人的不同部位,如手指、脚趾、手臂、腿、颈部和躯干。


这些电机的功率需求根据其执行的具体功能而有所不同。例如,驱动机器人手指的电机可能只需要几安培的电流,而驱动臀部或腿部的电机可能需要80安培或更多。无论功率需求如何,电机都必须保持运转的高效,尽量减少能耗和热量产生,这是保持机器人整体性能和可靠性的关键因素。


● 氮化镓在运动控制中的重要性


氮化镓(GaN)器件由于其优越的电气性能,特别适用于人形机器人中的运动控制应用。氮化镓器件的一个主要优势是其极快的开关速度,比传统的硅基MOSFET快10到100倍。这种高速开关能力使电机能够在更高频率下运行,减少电机损耗并提高整体系统效率。


氮化镓器件的高开关速度使得更小、更可靠的陶瓷电容器可以代替笨重的电解电容器。这在空间紧凑的应用中尤为重要,如人形机器人中的电机驱动。通过减少电容器的尺寸,电机驱动的整体尺寸和重量可以最小化,使其更容易集成到电机外壳内。


氮化镓器件的另一个关键优势是其没有反向恢复电荷(QRR)。在硅基MOSFET中,反向恢复电荷会导致每个开关周期都会产生额外能耗,降低效率并产生额外的热量。氮化镓器件中不具有反向恢复电荷,消除了这种能量损失,使电机能够更高效地运行并产生更少的热量。


此外,消除反向恢复电荷意味着在每个开关周期中需要的死区时间减少。死区时间的存在导致了传递给电机的功率降低,并可能导致电机出现噪音。氮化镓器件将死区时间从几百纳秒减少到仅几个纳秒,提高了每安培的扭矩,结果带来更高效的电机和更安静的系统。


总体而言,氮化镓器件的使用在运动控制应用中带来了显著优势,包括提高效率、减少尺寸和重量、降低成本和增加可靠性。这些优势使氮化镓非常适合为人形机器人提供动力,使得它们的结构紧凑、高效,并拥有可靠的电力电子设备来维持设备运转。


● 用于电机驱动的氮化镓单片功率级


氮化镓技术的一个最重要的进展是单片功率级的开发,例如EPC23102。这些单片氮化镓集成电路将多个功能集成到一个芯片中,包括功率晶体管、栅极驱动器和保护电路。图1显示了EPC23102的功能框图。通过将关键功能集成到一个芯片中,EPC23102节省了宝贵的设计时间和电路板空间,对紧凑而复杂的人形机器人至关重要。


图1:EPC23102 ePower级IC的功能框图


EPC9176参考设计是一个使用EPC23102单片集成电路的GaN电机驱动示例,其功能框图如下图2所示。EPC9176是一个400W电机驱动逆变器,使用三个EPC23102集成电路,具有14V到85V的宽输入电压范围。它可以向电机提供高达20 ARMS电流单位的电流,适合为机器人的大多数小关节和执行器提供动力。

图2:EPC9176参考设计板的功能框图

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ROHM(罗姆)电机驱动器选型指南(中文)

目录- 电机驱动器介绍    电机驱动器选型图    DC有刷电机驱动器/步进电机驱动器    无刷电机驱动器    IPM    栅极驱动器/功率元器件    分流电阻器    车载用电机驱动器/低电压驱动DC电机驱动器    电机驱动器应用选型    电机驱动器封装    电机驱动器型号索引   

型号- RQ3L090GN,BD63130AFM,SH8MA2,BD16938AEFV-C,BU6821G,BD64350MUV,BD6981FVM,BD6231HFP,R6009JND3,R6020JNJ,SH8MA4,SH8MA3,BM63574S-VA,BD63282EFV,BM63574S-VC,BD68620EFV,R6025JNZ,R6025JNX,R60XXJNJ,BD6212FP,BD6231F,BD61243FV,BM6243FS,RGS30TSX2D,RGTXTM65D,BD63242EFV,BD16912EFV-C,BD69060GFT,HP8M51,RGS50NL65D,GMR,RQ7L055BG,BD6758KN,QH8MA2,QH8MA4,QH8MA3,BD63725BEFV,RJ1G12BGN,RGTXXTS65D,RGT40TS65D,BD6230F,BD6961F,BD65492MUV,RGTXXBM65D,BM62351MUV,BM62380MUV,BD62130AEFJ,BU24038GW,RGT50TM65D,BD62220AEFV,BD6968FVM,RD3P200SN,RS1G180GN,BD16852EFV-C,R6007JNJ,RJ1P12BBD,AG087DGD3,RGT50NS65D,SH8MC5,RGS60TS65D,RGS00TS65D,RGS00TS65E,BD63576NUX,BM6244FS,R6042JNZ4,RSJ301N10,RGT40TM65D,HP8M31,RMS338NA-005,R6018JNX,BD6995FV,BD63511EFV,SH8MB5,R6030JNZ,RF4L070BG,R6030JNX,R6070JNZ4,BD63007MUV,BM63577S-VA,RGT20NL65D,R6007JNX,RQ3G100GN,BD67891MUV,BM64378S-VA,BD63800MUF-C,BM63577S-VC,BD63720AEFV,RGS60NL65D,BD6380EFV,R6009JNX,R6020JNZ4,R6009JNJ,BD6422EFV,BM6249FS,RGS30NL65D,RQ3G150GN,BM63575S-VC,BD6211F,BM6241FS,RGT30TM65D,BM63575S-VA,BD68710EFV,R6004JNJ,BD63521EFV,BD63030EKV-C,BD63035EFV-M,BD6385EFV,R6030JNZ4,RX3G18BBG,BD6232HFP,BD6982FVM,RS1P600BE,RMS335ND-007,BM65364S-VA,BD16939AEFV-C,BM65364S-VC,RS1L180GN,BD63710AEFV,RX3G07BBG,QH8KA2,QH8KA1,BD16950EFV-C,RMS338ND-003,QH8KA3,BD6965NUX,BD69830FV,BD63001AMUV,BD6222FP,BD6210F,RF4G100BG,RGT,RGS,BD6964FVM,BD6389FM,BD63005AMUV,UT6KC5,RSJ650N10,BD63003MUV,BD63520AEFV,BU6823G,RGSXXNL65D,BM63375S-VA,BD63940EFV,BD61248NUX,BM64377S-VA,BM63375S-VC,BD6232FP,QH8MB5,RQ7G080BG,RGT00TS65D,BD6964F,BD65499MUV,RGS80TSX2D,BD6221F,BM6242FS,R6006JND3,BD63620AEFV,BD63150AFM,RS1L120GN,BD16805FV-M,R60XXJNX,R60XXJNZ,BD6376GUL,BD6423EFV,AG073DGS4,BD62110AEFJ,BU24020GU,RGS40NL65D,RGTXNL65D,RGSXXTS65D,RGSXXTS65E,RD3XXXXBG,BD6210HFP,RD3P08BBD,RGT16BM65D,RGT16TM65D,BD63524AEFV,QH8MC5,BD63730EFV,R6020JNX,R6020JNZ,BD65494MUV,BD63801EFV,BD62017AFS,BD6220F,BD63525AEFV,BD67173NUX,BD6736FV,RX3L18BBG,BD63251MUV,BU24033GW,BD63572MUV,BD6211HFP,BD63002AMUV,SH8K41,BD2310G,BM6247FS,BD63565EFV,RF4XXXXBG,UT6KB5,BD6381EFV,BD63731EFV,R60XXJND3,LTR18,RQ7XXXXBG,RGT20TM65D,RGT8NS65D,BU69090NUX,BD68720EFV,RGT40NL65D,BD63573NUV,BD61251FV,AG070DGS4,BD6222HFP,BD62210AEFV,SH8K39,R6004JND3,LTR10,RGT30NS65D,BM64070MUV,BD65496MUV,BD68715EFV,BD6382EFV,RD3G07BBG,RQ3XXGN,BU6909AGFT,BD16860AEKV-C,RGT16NL65D,BD63960EFV,RGS50TSX2D,RJ1G08CGN,BD62120AEFJ,BD65491FW,BD63715AEFV,BD63910MUV,R6004JNX,RD3L07BBG,QH8KB5,BM6248FS,BD65491FV,BD69730FV,QH8KB6,R6025JNZ4,BD62018AFS,BD63610AEFV,RX3L07BBG,RS1XXXXGN,AG004DGD3,BD63510AEFV,RGT40NS65D,RGTXXNS65D,BM64300MUV-EVK-001,BD62321HFP,BD6387EFV,RMS118NA-009,BD63015EFV,BM64300MUV,R6007JND3,RMS332ND-010,QH8KC6,QH8KC5,SH8K52,QS8M51,BM63374S-VA,BM63374S-VC,RGT80TS65D,UT6MA2,BD6962FVM,SH8KA4,BD6373GW,BD61245EFV,SH8KA2,SH8KA1,BD68610EFV,SH8KA7,GMR320,RGT50TS65D,LTR100,RGSX5TS65E,RGT30NL65D,RJ1L06CGN,SH8M41,R6050JNZ,BU24035GW,R6006JNX,R6018JNJ,RGSX5TS65D,BM6245FS,BD6237FM,RMS308NA-008,RGS80TS65D,QSBM51,BM63573S-VC,R6012JNX,BD62221MUV,BD6425EFV,RGT8TM65D,HP8MA2,BD62105AFVM,QS8M31,BD6212HFP,LTR50,RGSXXTSX2D,BD6971FV,BM64350MUV,BM64374S-VA,BU24036MWV,SH8M31,RMS318ND-002,BM63573S-VA,RGT8BM65D,BD6226FP,BD63920MUV,RD3G03BBG,BD60223FP,RMS332SD-012,BD63241FV,RMS332SD-011,RGT8NL65D,SH8KC6,RS1G300GN,RS1G120MN,GMR50,R6050JNZ4,LTR,BM63377S-VC,RSJXXXN10,BM64375S-VA,BM63377S-VA,GMR100,RGT60TS65D,BD6735FV,QH8K51,SH8KC7,RGT16NS65D,RGT20NS65D,BD63006MUV,BD6236FP,BM6246FS,R6012JNJ,BD6236FM,RJ1L12BGN,BM62300MUV,AG086DGD3,BD2320EFJ-LA,RJ1XXXXGN,SH8K26,RD3L03BBG,BH6766FVM,BD6383EFV,QSBM31,BM62350MUV,R6006JNJ,R60XXJNX,RGT50NL65D,BM63373S-VA,BD6967FVM,BM63373S-VC,BD64220EFV,SH8KB7,SH8KB6,BD63740FM,BD6326ANUX,R60XXJNZ4,SH8M51,BD69740FV,BD6753KV,BD6225FP,SH8K12,BD63860EFV,SH8K11,RX3XXXXBG,BD61250MUV

选型指南  -  ROHM  - Ver.13.1  - 2021/12/27 PDF 中文 下载

研讨会2024功率器件新技术研讨会

描述- 11月21日在线直播,带来低导通电阻的功率MOS、集成驱动的GaN IC、IGBT新技术、用于电机驱动/BMS/移动储能的SGT MOS、高压车规SiC功率MOS、国产车规IGBT模块等功率器件新产品新技术,点击了解报名

议题- 降低20%导通电阻的功率MOS  |  集成驱动的GaN IC  |  沟槽栅场截止型IGBT新技术  |  适用于电机驱动/BMS/移动储能等应用SGT MOSFET  |  1700V SiC功率MOS  |  国产50A IPM模块  |  高可靠国产车规IGBT模块  |  ROHM——专注功率,电源和模拟技术的全球知名半导体厂商  |  EPC——基于氮化镓(GaN)功率管理器件的领先供应商  |  致力于功率器件和智能传感器技术的专业半导体厂商——瑶芯微(ALKAIDSEMI)  |  中国半导体功率器件十强企业:扬杰科技(YANGJIE)  |  致力于成为双碳时代功率半导体中国领跑者——阿基米德半导体(Archimedes)  |  中国领先的碳化硅(SiC)半导体和芯片解决方案提供商——瞻芯电子(InventChip)  |  专业从事电源管理、电机驱动、微控制器、传感器的集成电路和系统方案的设计与开发——华润微电子(CRM ICBG )  |  Kyocera(京瓷)——全球领先的材料与电子元件制造商  |  Shindengen(新电元)——“桥王”,整流桥全球份额占比约40%  |  中国半导体功率器件十强的主板上市企业——新洁能(NCEPOWER)  |  国内首家抗负压能力可达-40V/600ns的电机驱动(HVIC)制造商——数明半导体  |  国内领先的半导体分立器件整合制造商 (IDM) —— 捷捷微电(JieJie Microelectronics)  |  国产一站式电路保护解决方案专家——硕凯(SOCAY)  | 

活动    发布时间 : 2024-10-12

必易微(KIWI)电机驱动IC选型表

描述- 深圳市必易微电子股份有限公司(股票代码:688045)是一家高性能模拟及数模混合集成电路供应商,主营产品包括 AC-DC、DC-DC、驱动 IC、线性稳压、电池管理、充电管理、放大器、数模转换器、传感器等,为消费电子、工业控制、网络通讯、数据中心、汽车电子等领域客户提供一站式芯片解决方案和系统集成。

型号- KP90871,KP90211,KP90641,KP90872,KP90212,KP90873,KP90213,KP86202,KP86201,KP81103,KP81102,KP81101,KPE90771,KPE90874,KPE90772B,KPE90773

选型指南  -  必易微  - 2023/9/5 PDF 中文 下载

LX Semicon(乐尔幸半导体)MCU/电机驱动IC选型指南

目录- MCU & Motor Driver IC概述    MCU & Motor Control IC Product List    Stable Supports for Customers    MCU & Motor Driver IC Key Function    MCU    Motor Driver IC    Washer/Refrigerator/Air Conditioner应用实例    Development Supports   

型号- SW31103C,SW31200A,SW31202C,TMPM4K SERIES,TMPM470 SERIES,TMPM383,SW3006,SW3001,SSC4S701,SW3007,R5F5130 SERIES,LX61202,LX61100,TMPM383 SERIES,R5F5130,SW31102B,M SERIES,SW31201C,DRV8848,DRV10987,TMPM470,H SERIES,SW33201,SW31100,SW33200,SW33500,SW31200,G SERIES,SW31103,TMPM3HN SERIES,TMPM4K,R5F100,TMPM3HN,R5F100 SERIES,LX61202C,SW3304B,LX61210

选型指南  -  LX SEMICON  - 2023/12/15 PDF 中文 下载

巴丁微电子(BD MCRIO)电机驱动芯片选型指南

描述- 深圳市巴丁微电子有限公司(简称“巴丁微”)成立于2016年9月,是一家专业的集成电路设计与系统方案设计的国家级高新技术企业,总部位于深圳市南山区国际创新谷。专注于高性能、高品质的模拟及数模混合集成电路芯片与系统方案研发与销售,其电机驱动控制、电源管理等产品广泛应用于消费类和工业控制领域。

型号- BDR2L00,BDR6133,BDR6121B,BDR6121,BDR6300,BDR6121H,BDR6200,BDR6120H,BDR6126,BDR6136,BDP4056,BDR6622T,BDR6831T,BDR6306,BD6525,BDR6319,BDR6307,BDR6318,BDR6120S,BDR6122TC,BDR6122T,BDR6316A

选型指南  -  巴丁微电子  - 2022-03 PDF 中文 下载

灿瑞科技携系列智能电机驱动芯片产品,亮相2024年中国电机智造与创新应用暨电机产业链交流会

灿瑞科技拥有系列智能电机驱动芯片,产品广泛应用于家电、玩具车、电脑、通信设备、办公自动化以及小功率伺服系统等领域,通过定制化、智能化手段,可拓展应用到机器人以及自动化生产设备领域。

原厂动态    发布时间 : 2024-07-09

【IC】EPC提供100V GaN FET助力实现更小的电机驱动器,用于电动自行车、机器人和无人机

EPC推出三相BLDC电机驱动逆变器参考设计EPC9194,工作输入电源电压范围为14V~60V,可提供高达60Apk的输出电流。此电压范围和功率使该解决方案非常适合用于各种三相BLDC电机驱动器,包括电动自行车、电动滑板车、无人机、机器人和直流伺服电机。

产品    发布时间 : 2023-11-07

【IC】EPC推出新型80V、40A eToF™激光驱动器GaN IC,实现更高功率密度激光雷达系统

宜普电源转换公司(EPC)推出新型氮化镓集成电路EPC21701,这是一款80V激光驱动器IC,可提供15A脉冲电流,适用于飞行时间激光雷达应用(ToF激光雷达应用),包括真空吸尘器、机器人、3D安全摄像头和3D传感器。

新产品    发布时间 : 2023-01-18

Motor Drive e-mobility · robotics · drones

型号- EPC9147E,EPC9147C,EPC9147D,EPC9167HCKIT,EPC9186KIT,EPC9167,EPC9167HC,EPC9173,EPC9194KIT,EPC9186,EPC9176,EPC9167KIT,EPC9173KIT,EPC9194,EPC9176KIT,EPC9147A,EPC9147B,EPC9147DKIT

商品及供应商介绍  -  EPC  - 2024/1/16 PDF 英文 下载

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品牌:EPC

品类:ePower™ Stage IC

价格:¥55.4281

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品类:开发板

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品类:Enhancement-Mode GaN Power Transistor Half Bridge

价格:¥5.6384

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品牌:EPC

品类:Enhancement-Mode GaN Power Transistor Half Bridge

价格:¥5.9251

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品牌:EPC

品类:Laser Driver IC

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品牌:EPC

品类:Mode GaN Power Transistor

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品牌:EPC

品类:Enhancement Mode GaN Power Transistor Half Bridge

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品牌:EPC

品类:Enhancement-Mode GaN Power Transistor Half-Bridge

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品牌:EPC

品类:Enhancement-Mode GaN Power Transistor Half-Bridge

价格:¥29.4342

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品牌:EPC

品类:Enhancement-Mode GaN Power Transistor Half-Bridge

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品牌:扬杰科技

品类:小信号三极管

价格:¥0.0260

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品牌:VISHAY

品类:集成电路

价格:¥0.1500

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品牌:SEMTECH

品类:激光驱动器

价格:¥4.3000

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品牌:LATTICE

品类:嵌入式-FPGA(现场科编程门阵列)

价格:¥15.0000

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品牌:Silergy

品类:IC

价格:¥0.1943

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品牌:SEMTECH

品类:IC

价格:¥6.3000

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品牌:Nexperia

品类:贴片IC

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品牌:Nexperia

品类:混合IC

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品牌:SEMTECH

品类:激光驱动器

价格:¥6.4000

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品牌:NXP

品类:集成电路

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PD/QC快充测试

满足150W内适配器、PD快充、氮化镓快充等主流产品测试需要;并可查看被测开关电源支持协议,诱导多种充电协议输出,结合电子负载和示波器进行高精度测试。测试浪涌电流最大40A。支持到场/视频直播测试,资深专家全程指导。

实验室地址: 深圳 提交需求>

晶体回路匹配测试

测试范围:扬兴晶振全系列晶体,通过对晶体回路匹配分析,调整频率、驱动功率和起振能力,解决频偏、不起振、干扰、频率错误等问题。技术专家免费分析,测完如有问题,会进一步晶振烧录/修改电路

实验室地址: 深圳 提交需求>

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授权代理品牌:部件、组件及配件

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授权代理品牌:电子材料

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