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

时间： 2024-10-24 来源：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

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

【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

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

【IC】EPC新推基于GaN FET的150A电机驱动器EPC9186，适用于电动出行、叉车和大功率无人机

EPC新推EPC9186，这是一款采用EPC2302 eGaN®FET的三相BLDC电机驱动逆变器。EPC9186支持14V~80V的宽输入直流电压。大功率EPC9186支持电动滑板车、小型电动汽车、农业机械、叉车和大功率无人机等应用。

新产品发布时间 : 2023-05-10

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