GaN FET在人形机器人中的应用

从科幻走入现实，人形机器人正经历一场静默而深刻的技术革命：更高效的能源控制、更精准的运动算法、更高速的通信架构、更智能的环境感知能力......这些变革正在重塑机器人的“骨骼”、“神经”与“感官”。

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从不同方面对人形机器人进行知识解析

本文将聚焦GaN FET在人形机器人中的应用

引言

人形机器人集成了许多子系统，包括伺服控制系统、电池管理系统 (BMS)、传感器系统、AI 系统控制等。如果要将这些系统集成到等同人类的体积内，同时保持此复杂系统平稳运行，会很难满足尺寸和散热要求。人形机器人内空间受限最大的子系统是伺服控制系统。为了实现与人类相似的运动范围，通常在整个机器人中部署大约 40 个伺服电机 (PMSM) 和控制系统。电机分布在机器人身体的不同部位，例如颈部、躯干、手臂、腿、脚趾等。该数字不包括手部的电机。为了模拟人手的自由操作，单只手即可能集成十多个微型电机。这些电机的电源要求取决于所执行的具体功能；例如，驱动机器人手指的电机可能只需要数安培电流，而驱动髋关节或腿的电机可能需要 100 安培或更高的电流。

与传统伺服系统相比，人形机器人的伺服系统具有更高的控制精度、尺寸和散热要求。本文介绍了GaN（氮化镓）技术在电机驱动器中的各种优势，并展示了GaN 如何帮助解决人形机器人中伺服系统面临的挑战。

更精确的控制

在伺服电机驱动应用中，电机控制通常分为几个控制回路层：电流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高级别的运动控制回路。这些回路通常以级联的形式排列，每个回路都有“实时”处理要求(qiú)。电(diàn)流(liú)/扭(niǔ)矩(ju)回(huí)路是(shì)速(sù)度(dù)最(zuì)快(kuài)的(de)控(kòng)制(zhì)回(huí)路。每(měi)个(gè)上(shàng)游(yóu)回(huí)路以(yǐ)其(qí)之(zhī)前(qián)回(huí)路的(de)倍(bèi)数(shù)运(yùn)行(xíng)，并(bìng)为(wèi)下(xià)游(yóu)回(huí)路提(tí)供(gōng)输(shū)入(rù)参(cān)考(kǎo)。图(tú) 1显(xiǎn)示(shì)了(le)典(diǎn)型(xíng)的(de)级(jí)联(lián)控(kòng)制(zhì)拓(tà)扑(pū)。

图(tú) 1：典(diǎn)型(xíng)的(de)伺(cì)服(fú)电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)回(huí)路技(jì)术(shù)

控(kòng)制(zhì)回(huí)路最(zuì)重(zhòng)要(yào)的(de)部(bù)分(fēn)是(shì)电(diàn)流(liú)回(huí)路。通(tōng)常(cháng)，FET 开(kāi)关频(pín)率(lǜ)与(yǔ)电(diàn)流(liú)回(huí)路相(xiāng)同(tóng)，约(yuē)为(wèi) 8kHz 至(zhì) 32kHz。电(diàn)流(liú)回(huí)路的(de)速(sù)度(dù)直(zhí)接(jiē)影(yǐng)响(xiǎng)电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)的(de)精(jīng)度(dù)和(hé)响(xiǎng)应(yīng)速(sù)度(dù)。人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)一(yī)个(gè)简(jiǎn)单(dān)动(dòng)作(zuò)涉(shè)及(jí)多(duō)个(gè)伺(cì)服(fú)电(diàn)机(jī)的(de)控(kòng)制(zhì)。为(wèi)了(le)协(xié)调(diào)机(jī)器(qì)人(rén)身(shēn)体(tǐ)中(zhōng)的(de)近(jìn) 40 个(gè)电(diàn)机(jī)，同(tóng)时(shí)保(bǎo)持(chí)系(xì)统(tǒng)的(de)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)，每(měi)个(gè)关节(jié)的(de)控(kòng)制(zhì)精(jīng)度(dù)和(hé)响(xiǎng)应(yīng)速(sù)度(dù)必(bì)须(xū)满(mǎn)足(zú)非(fēi)常(cháng)高(gāo)的(de)要(yào)求(qiú)。可(kě)通(tōng)过(guò)提(tí)高(gāo)电(diàn)机(jī)控(kòng)制(zhì)回(huí)路的(de)速(sù)度(dù)和(hé) PWM 频(pín)率(lǜ)来(lái)满(mǎn)足(zú)这(zhè)些(xiē)要(yào)求(qiú)。例(lì)如(rú)，100kHz (图(tú) 2) 的(de)开(kāi)关频(pín)率(lǜ)可(kě)以(yǐ)实(shí)现(xiàn)分(fēn)辨(biàn)率(lǜ)更(gèng)高(gāo)的(de)电(diàn)机(jī)电(diàn)流(liú)，从(cóng)而(ér)实(shí)现(xiàn)更(gèng)小(xiǎo)的(de)电(diàn)机(jī)电(diàn)流(liú)纹(wén)波(bō)和(hé)更(gèng)精(jīng)确(què)的(de)控制。高分辨率电机电流波形也意味着可以获得更好的正弦电流，这可以提高电机的运行效率并减少电机发热。

图 2：100kHz 和 10kHz PWM 电机电流

此外，增加 PWM 开关频率可以减小 DC 总线电容器的尺寸和电容。对于要替换为陶瓷电容器的电解电容器，需要满足的总线电容要求降低。伺服功率级 FET 通过 PWM 信号定期从总线电容器汲取电流。当 PWM 频率增加时，每个单位时间消耗的电荷量减小，这意味着所需的总线电容减少。根据TIDA-010936的测试，将 PWM 频率从 20kHz 提高到 80kHz 后，可以用电容相等的陶瓷电容器代替电解电容器，以获得相似的总线电压纹波。与电解电容器相比，陶瓷电容器具有明显优势：更小的尺寸、更长的使用寿命、更好的高频特性等。

因此，在设计人形机器人时必须考虑速度更高的电流回路和更高的 PWM 频率。对于 MOSFET 型伺服驱动器，PWM 开关频(pín)率(lǜ)的(de)增(zēng)加(jiā)会(huì)带(dài)来(lái)很(hěn)大(dà)的(de)额(é)外(wài)损(sǔn)耗(hào)，从(cóng)而(ér)导(dǎo)致(zhì)驱(qū)动(dòng)器(qì)严(yán)重(zhòng)发(fā)热(rè)。当(dāng)开(kāi)关频(pín)率(lǜ)从(cóng) 10kHz 增(zēng)加(jiā)到(dào) 20kHz 时(shí)，MOSFET 型(xíng)驱(qū)动(dòng)器(qì)会(huì)让(ràng)总(zǒng)体(tǐ)损(sǔn)耗(hào)增(zēng)加(jiā) 20%至(zhì) 30%，这(zhè)对于人形机器人是不可接受的。此外，GaN FET 在高频下具有较低开关损耗。在TIDA-010936测试中，电路板损耗在 40kHz 和 80kHz 下几乎相同，因此GaN 特别适合高开关频率场景。

图 3：TIDA-010936 电(diàn)路板(bǎn)在(zài) 48V 输入电压下的损耗与三相输出电流间的关系

减少开关损耗

GaN 之(zhī)所(suǒ)以(yǐ)能(néng)够(gòu)实(shí)现(xiàn)如(rú)此(cǐ)低(dī)的开关损耗，源于 GaN 器件的特性。GaN 器件具有更小的栅极电容 (CG) 和更小的输出电(diàn)容(róng) (Coss)，可(kě)实(shí)现(xiàn)达(dá)到(dào) Si-MOSFET 100 倍的开关速度。由于关断和开(kāi)通(tōng)时(shí)间(jiān)缩(suō)短(duǎn)，可(kě)以(yǐ)在(zài)较(jiào)短(duǎn)的(de)范(fàn)围(wéi)内(nèi)控(kòng)制(zhì)死(sǐ)区(qū)时(shí)间(jiān)，例(lì)如(rú) 10-20ns，而(ér) MOSFET 通(tōng)常(cháng)需(xū)要(yào)约(yuē) 1us 的(de)死(sǐ)区(qū)时(shí)间(jiān)。死(sǐ)区(qū)时(shí)间(jiān)的(de)缩(suō)短(duǎn)可(kě)降(jiàng)低(dī)开(kāi)关损(sǔn)耗(hào)。此(cǐ)外(wài)，GaN FET 没(méi)有(yǒu)体(tǐ)二(èr)极(jí)管(guǎn)，但(dàn)续(xù)流(liú)功(gōng)能(néng)通(tōng)过(guò)第(dì)三(sān)象(xiàng)限(xiàn)操(cāo)作(zuò)实(shí)现(xiàn)。在(zài)高(gāo)频(pín) PWM 场(chǎng)景(jǐng)中(zhōng)，MOSFET 的(de)体(tǐ)二(èr)极(jí)管(guǎn)会(huì)导(dǎo)致(zhì)较(jiào)大(dà)的(de)反(fǎn)向(xiàng)恢(huī)复(fù)损(sǔn)耗(hào)（Qrr 损(sǔn)耗(hào)）。第(dì)三(sān)象(xiàng)限(xiàn)操(cāo)作(zuò)还可避免开关节点响铃和由体二极管引起的 EMI 风险，从而降低对高功率密度人形机器人中其他器件的干扰。

尺寸更小

人形机器人的关节空间有限。电源板通常是直径为 5-10 cm 的环形 PCB。此外，关节必须集成电机、减速器、编码器甚至传感器。重要的是，设计人员必须在有限的空间内实现更高的功率和更稳定的电机控制。与 MOSFET 相比，GaN 具有更小的 RSP（比电阻、裸(luǒ)片(piàn)面(miàn)积(jī)尺(chǐ)寸(cùn)比(bǐ)较(jiào)），这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)与(yǔ)具(jù)有(yǒu)相(xiāng)同(tóng) RDSon 的 MOSFET 相比，GaN 具有更小的裸片面积。德州仪器 (TI) 通过集成 FET 和栅极驱动器进一步减小了占用空间。这样可以实现 4.4mΩ 半桥 + 栅极驱动器，并且封装仅为 4.5 x 5.5mm。

图 4：LMG2100 方框图

以LMG2100R026为例。该器件集成了半桥的 FET 和半桥驱动器，可承受 55A 的持续电流。将驱动器与 FET 集成有许多优势，包括：

减少了栅极响铃，让运行更可靠

减小了电源回路电感并且优化了封装尺寸

通过集成栅极驱动器减(jiǎn)小(xiǎo)了(le)尺(chǐ)寸(cùn)

通(tōng)过(guò)集成(chéng)的(de)保(bǎo)护(hù)功(gōng)能(néng)保(bǎo)护(hù)器(qì)件(jiàn)

为(wèi)了(le)在(zài)设(shè)计(jì)中(zhōng)比(bǐ)较(jiào) GaN 和(hé) MOSFET，我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)查(chá)看(kàn)提(tí)供(gōng)类(lèi)似(shì)功(gōng)率(lǜ)级(jí)别(bié)的(de)TIDA-010936和(hé)TIDA-01629设(shè)计(jì)。如(rú)图(tú) 5所(suǒ)示(shì)，由(yóu)于(yú)集成(chéng)了(le)栅(zhà)极(jí)驱动器并降低了 GaN 的 RSP，整个功率器件的芯片面积减小了 50% 以上。

图 5：GaN 与 MOSFET 功率级比较

总结

人形机器人对控制精度和功率密度的要求较高。GaN 可以在高 PWM 频率下以低损耗轻松实现更高精度的电机控制。GaN 的高功率密度特性与德州仪器 (TI) 的集成式驱动器的特性相结合，可进一步减小尺寸。由于这些优势，GaN 型电机驱动器可能会成为人形机器人的首选设计，带来更高效、更稳定和更智能的机器人设计。

除了人形机器人之外，GaN 技术也是其他类型机器人（协作机器人、外科手术机器人、AGV）、工业伺服系统、家用电器和其他需要高功率密度的应用的理想选择。