解析GaN FET在人形機器人中的應用

Posted By MakerPRO編輯部 on 7 月 16, 2025 in 技術導讀, 技術新訊, 新聞稿, 機器人, 特寫, 電源 | 0 comments

本文由德州儀器(TI)供稿

人形機器人整合了許多子系統，其中包括伺服控制系統，電池管理系統 (BMS)，感測器系統， AI系統控制等。將這些系統整合至人員體積中，同時維持複雜系統的平穩運作，要符合尺寸與散熱需求是極富挑戰性的。人形機器人中空間最受限的子系統是伺服控制系統，為了達到與人類似的運動範圍，機器人中通常部署了約40部伺服馬達(PMSM)和控制系統，這些馬達分佈在的不同部位，例如頸部、軀幹、手臂、腿部、腳趾等。

這還不包括機器人手中的馬達。若要模擬人的手自由度，機器人的一隻手即可整合十幾個以上的微馬達。這些馬達的功率需求視執行的特定功能而定；例如，驅動機器人手指的馬達可能只需要幾安培，而驅動髖部或腿部的馬達則需要100安培以上。與傳統伺服系統相比，人形機器人的伺服系統具有更高的控制精度、尺寸和散熱要求。本文說明 GaN（氮化鎵）技術在馬達驅動中的各種優勢，並展示GaN如何協助解決人形機器人伺服系統所面臨的挑戰。

更精確的控制

在伺服馬達驅動應用中，馬達控制通常可分為幾個控制迴路層：電流/扭力迴路、速度迴路、位置迴路及更高階的動作控制迴路。這些迴路通常以串接方式配置，每個都有自己的「即時」處理需求。電流或扭力迴路是最快的控制迴路。每個上游迴路在該迴路前會有多個迴路運作，並提供輸入參考至下游迴路。圖1說明典型的串接控制拓撲。

圖 1. 典型伺服馬達控制迴路

控制迴路最重要的部分是電流迴路。FET切換頻率通常與電流迴路相同，約為8kHz至32kHz。電流迴路的速度會直接影響馬達控制的準確度和回應速度。人形機器人的簡單動作包含控制許多伺服馬達。為了在機器人體中協調將40個馬達，同時維持系統穩定性，每個接頭的控制精度和反應速度必須符合非常高的要求。提高馬達控制迴路速度和PWM頻率即可滿足這些需求。例如，100kHz(圖2)的切換頻率可以實現更高的解析度馬達電流，對應較小的馬達電流漣波和更精確的控制。高解析度馬達電流波形也代表正弦波電流更佳，可提升馬達的運作效率並減少馬達加熱。

圖 2. 100kHz 和 10kHz PWM 馬達電流

此外，提高PWM切換頻率可減少DC匯流排電容器尺寸和電容。以陶瓷電容器取代電解電容器的匯流排電容需求較低。伺服功率級FET會定期利用PWM訊號從匯流排電容器汲取電流。PWM頻率增加時，每單位時間消耗的電荷量會變小，代表所需的匯流排電容也會減少。根據TIDA-010936的測試，將PWM頻率從20kHz提高到80kHz後，電解電容器可以用相等電容的陶瓷電容器替換，以獲得類似的匯流排電壓漣波。陶瓷電容器比電解電容器具有明顯的優勢：尺寸更小、使用壽命更長、高頻率特性更佳等等。

因此，在設計人形機器人時，必須考慮更高速的電流迴路和PWM頻率。對 MOSFET 架構伺服驅動器而言，PWM切換頻率增加會帶來大量額外損耗，造成驅動器嚴重加熱。當切換頻率從10kHz提高到20kHz時，MOSFET型驅動器的整體損耗會增加20%至30%，這是人形機器人無法承受的。或者，GaN FET也可在高頻率下提供低切換損耗。在TIDA-010936測試中，在40kHz和80kHz時電路板損耗幾乎相同，因此GaN適合高切換頻率情境。

圖 3. 48V 輸入與 3 相輸出電流的 TIDA-010936 電路板損耗

降低切換損耗

GaN裝置的特性，讓GaN可實現如此低切換損耗。GaN裝置的閘極電容(Cg)與輸出電容(Coss)較小，可實現比Si-MOSFET快100倍的切換速度。由於關閉和開啟時間縮短，失效時間可控制在較短範圍內，例如10-20ns，而MOSFET通常需要約1us的失效時間。減少失效時間可降低切換損耗。此外，GaN FET沒有本體二極體，但飛輪功能可透過第三象限運作實現。在高頻率PWM情境中，MOSFET的本體二極體會造成較大的反向復原損耗 (Qrr損耗)。第三象限運作也可避免本體二極體造成的切換節點振鈴和EMI風險，以減少對高功率密度人形機器人中其他裝置的干擾。

體積更小

人形機器人的接頭空間有限。電源板通常是直徑5-10cm的環形PCB。此外，接頭必須整合馬達、減速器、編碼器，甚至是感測器。至關重要的是，設計人員必須在有限空間內實現更高功率與更穩定的馬達控制。相較於MOSFET，GaN的Rsp（特定電阻，面積與晶粒尺寸比較）較小。也就是說，較同一Rdson的MOSFET，GaN的晶粒面積較小。德州儀器(TI)透過整合FET與閘極驅動器，進一步縮小占位面積。如此可在僅4.5 x 5.5mm的封裝中實現4.4mΩΩ半橋+閘極驅動器。

圖 4. LMG2100 方塊圖

以LMG2100R026為例。此裝置整合半橋式與半橋式驅動器的FET，可承受55A的連續電流。整合驅動器與FET有許多優點，其中包括：

減少閘極振鈴，實現更可靠的運作
以優化封裝體積減少電源迴路電感
可透過整合閘極驅動器來縮小尺寸
以整合式防護保護裝置

若要在設計中比較GaN與MOSFET，我們可看到提供類似功率位準的TIDA-010936與TIDA-01629設計。如圖5所示，由於整合式閘極驅動器與較低GaN Rsp的緣故，整體電源裝置的晶片面積減少超過50%

圖 5. GaN 與 MOSFET 功率級比較

小結

人形機器人對控制準確度和功率密度的要求更高。GaN可在高PWM頻率下輕鬆實現具低損耗的更高精密度馬達控制。結合GaN的高功率密度本質與德州儀器整合式驅動器的特性，可進一步縮小尺寸。有鑒於這些優點，GaN架構馬達驅動器很可能會成為人形機器人的偏好設計，以提供更有效率，穩定且更智慧的機器人設計。除了人形機器人外，GaN技術也是其他類型機器人（協作機器人、手術機器人、自動導引車）、工業伺服、家用電器和其他需要高功率密度的應用的絕佳選擇。