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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Max RDS(on) (mΩ) @ 5 VGS

Enhancement Mode Power Transistor

选型表 - EPC 立即选型

氮化镓集成电路简化仿人机器人电机关节逆变器设计

描述- 本文介绍了基于氮化镓（GaN）技术的逆变器设计，特别是在人形机器人电机关节逆变器中的应用。文章强调了GaN技术在提高开关频率、降低无源元件数量、减少开关损耗和提高功率密度方面的优势。EPC ePower™ Stage ICs技术简化了逆变器设计，并介绍了EPC23102/3/4系列GaN集成电路及其在逆变器性能中的应用。文章还讨论了EPC提供的参考设计板，这些设计板展示了GaN技术在电机驱动逆变器设计中的简化与空间减少。实验结果表明，GaN技术的应用提高了系统效率，并实现了更紧凑的逆变器设计。

型号- EPC2310X,EPC9186,EPC9176,EPC91104,EPC9194,EPC23102,EPC23103,EPC23104,EPC9176V3

June 2024 - EPC - 技术文档代理服务技术支持采购服务

【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

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【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

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2023-01-18 - 新产品代理服务技术支持采购服务

【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。

2023-05-10 - 新产品代理服务技术支持采购服务

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型号- TMI8420

2022.08 - 拓尔微电子 - 数据手册 - V1.0 代理服务技术支持采购服务

【应用】电机驱动IC EG2132作为MOS的驱动芯片用于车载鼓风机中，实现电机的驱动和控制

屹晶微电子的电机驱动IC EG2132，可以很好地应用于鼓风机中作为MOS的驱动芯片。有客户使用国外的MOS驱动芯片进行电路设计，但是现在很多国外芯片都面临交期难、供货难、价格高的问题，EG2132作为一款国产电机驱动IC，具有超低成本、供货稳定的优势，保障客户产品能够成功投入量产。

2023-05-26 - 应用方案代理服务技术支持采购服务

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型号- EPC2212,EPC2214,EPC2059,EPC2012C,EPC9003C,EPC2216,EPC2215,EPC2218,EPC2016C,EPC2019,EPC9049,EPC2052,EPC2051,EPC2053,EPC9046,EPC9047,EPC9087,EPC9040,EPC2102,EPC9002C,EPC2024,EPC2104,EPC2302,EPC2103,EPC2001C,EPC2029,EPC2106,EPC9010C,EPC2021,EPC2020,EPC9057,EPC2023,EPC9014,EPC2022,EPC9097,EPC90142,EPC9098,EPC9055,EPC9099,EPC9092,EPC9093,EPC9050,EPC9091,EPC9006C,EPC2036,EPC2035,EPC2010C,EPC9001C,EPC2038,EPC2037,EPC2034C,EPC2014C,EPC2039,EPC9507,EPC23101,EPC2030,EPC2032,EPC2031,EPC2152,EPC2033,EPC9060,EPC9061,EPC9062,EPC9005C,EPC2203,EPC9004C,EPC9048C,EPC2204,EPC2015C,EPC2207,EPC2206,EPC9038,EPC2007C,EPC9039,EPC2040,EPC9034,EPC9078,EPC21603,EPC9035,EPC9156,EPC2045,EPC21601,EPC90122,EPC9031,EPC90123,EPC9032,EPC90120,EPC9033,EPC9154,EPC90124

2021/12/23 - EPC - 应用笔记或设计指南代理服务技术支持采购服务

EPC23101-ePower™Stage IC氮化镓®FET规格书

描述- 该资料介绍了EPC23101 ePowerTM Stage集成电路，这是一种集成了高侧eGaN® FET、内部栅极驱动器和电平转换器的高效功率转换解决方案。该芯片适用于多种转换器拓扑，如降压、升压和升降压转换器，以及半桥、全桥LLC转换器和电机驱动逆变器。它具有低导通电阻、高开关频率和低静态电流等特点，适用于高效率、小型化和易于制造的电源设计。

型号- EPC23101

May, 2024 - EPC - 数据手册 - VERSION 1.2 代理服务技术支持采购服务