从科幻走入实际，人形。机器人。正阅历一场静默而深入的技能革命：更高效的动力操控、更精准的运动。算法。、更高速的。通讯。架构、更。智能。的环境感知才能......这些革新正在重塑机器人的“骨骼”、“神经”与“感官”。

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《人形机器人。专题。》。

咱们将为咱们带来四篇系列文章。

从不同方面对人形机器人进行常识解析。

本文将聚集GaN FET在人形机器人中的使用。

导言。

人形机器人集成了许多子体系，包含伺服。操控体系。、。电池办理。体系 (BMS)、。传感器。体系、。AI。体系操控等。假如要将这些体系集成到同等人类的体积内，一起坚持此杂乱体系平稳运转，会很难满意尺度和散热要求。人形机器人内空间受限最大的子体系是伺服操控体系。为了完成与人类相似的运动规模，一般在整个机器人中布置大约 40 个。伺服电机。(PMSM) 和操控体系。电机。散布在机器人身体的不同部位，例如颈部、躯干、手臂、腿、脚趾等。该数字不包含手部的电机。为了。模仿。人手的自在操作，单只手即或许集成十多个微型电机。这些电机的。电源。要求取决于所履行的详细功用；例如，驱动机器人手指的电机或许只需求数安培。电流。，而驱动髋关节或腿的电机或许需求 100 安培或更高的电流。

与传统伺服体系比较，人形机器人的伺服体系具有更高的操控精度、尺度和散热要求。本文介绍了GaN（。氮化镓。）技能在。电机驱动器。中的各种优势，并展现了GaN 怎么协助处理人形机器人中伺服体系面对的应战。

更准确的操控。

在伺服电机驱动使用中，电机操控。一般分为几个操控回路层：电流/扭矩回路、速度回路、方位回路和更高等级的运动操控回路。这些回路一般以级联的方式摆放，每个回路都有“实时”处理要求。电流/扭矩回路是速度最快的操控回路。每个上游回路以其之前回路的倍数运转，并为下流回路供给输入参阅。图 1显现了典型的级联操控拓扑。

图 1：典型的伺服电机操控回路技能。

操控回路最重要的部分是电流回路。一般，FET 开关频率与电流回路相同，约为 8kHz 至 32kHz。电流回路的速度直接影响电机操控的精度和响应速度。人形机器人的一个简略动作触及多个伺服电机的操控。为了和谐机器人身体中的近 40 个电机，一起坚持体系的安稳性，每个关节的操控精度和响应速度有必要满意十分高的要求。可经过进步电机操控回路的速度和 PWM 频率来满意这些要求。例如，100kHz (图 2) 的开关频率能够完成分辨率更高的电机电流，然后完成更小的电机电流纹波和更准确的操控。高分辨率电机电流波形也意味着能够取得更好的正弦电流，这能够进步电机的运转功率并削减电机发热。

图 2：100kHz 和 10kHz PWM 电机电流。

此外，添加 PWM 开关频率能够减小。 DC。总线。电容器。的尺度和。电容。。关于要替换为陶瓷电容器的。电解电容。器，需求满意的总线电容要求下降。伺服功率级 FET 经过 PWM。 信号。定时从总线电容器罗致电流。当 PWM 频率添加时，每个单位时刻耗费的电荷量减小，这意味着所需的总线电容削减。依据。TI。DA-010936的测验，将 PWM 频率从 20kHz 进步到 80kHz 后，能够用电容持平的陶瓷电容器替代电解电容器，以取得相似的总线电压纹波。与电解电容器比较，陶瓷电容器具有显着优势：更小的尺度、更长的使用寿命、更好的高频特性等。

因而，在规划人形机器人时有必要考虑速度更高的电流回路和更高的 PWM 频率。关于。 MOSFET。型伺服。驱动器。，PWM 开关频率的添加会带来很大的额定损耗，然后导致驱动器严峻发热。当开关频率从 10kHz 添加到 20kHz 时，MOSFET 型驱动器会让整体损耗添加 20%至 30%，这关于人形机器人是不行接受的。此外，GaN FET 在高频下具有较低开关损耗。在TIDA-010936测验中，电路板损耗在 40kHz 和 80kHz 下简直相同，因而GaN 特别合适高开关频率场景。

图 3：TIDA-010936 电路板在 48V 输入电压下的损耗与三相输出电流间的联系。

削减开关损耗。

GaN 之所以能够完成如此低的开关损耗，源于 GaN 器材的特性。GaN 器材具有更小的栅极电容 (CG) 和更小的输出电容 (Coss)，可完成到达 Si-MOSFET 100 倍的开关速度。因为关断和注册时刻缩短，能够在较短的规模内操控死区时刻，例如 10-20ns，而 MOSFET 一般需求约 1us 的死区时刻。死区时刻的缩短可下降开关损耗。此外，GaN FET 没有体。二极管。，但续流功用经过第三象限操作完成。在高频 PWM 场景中，MOSFET 的体二极管会导致较大的反向恢复损耗（Qrr 损耗）。第三象限操作还可防止开关节点响铃和由体二极管引起的 EMI 危险，然后下降对高功率密度人形机器人中其他器材的搅扰。

尺度更小。

人形机器人的关节空间有限。电源板一般是直径为 5-10 cm 的。环形。PCB。。此外，关节有必要集成电机、减速器、。编码器。乃至传感器。重要的是，规划人员有必要在有限的空间内完成更高的功率和更安稳的电机操控。与 MOSFET 比较，GaN 具有更小的。 RS。P（比电阻、裸片面积尺度比较），这意味着与具有相同 RDSon 的 MOSFET 比较，GaN 具有更小的裸片面积。德州仪器。(TI) 经过集成 FET 和。栅极驱动。器进一步减小了占用空间。这样能够完成 4.4mΩ 半桥 + 栅极驱动器，而且封装仅为 4.5 x 5.5mm。

图 4：LMG2100 方框图。

以LMG2100R026为例。该器材集成了半桥的 FET 和半桥驱动器，可接受 55A 的继续电流。将驱动器与 FET 集成有许多优势，包含：

削减了栅极响铃，让运转更牢靠。

减小了电源回路电感而且优化了封装尺度。

经过集成栅极驱动器减小了尺度。

经过集成的维护功用维护器材。

为了在规划中比较 GaN 和 MOSFET，咱们能够检查供给相似功率等级的TIDA-010936和TIDA-01629规划。如图 5所示，因为集成了栅极驱动器并下降了 GaN 的 RSP，整个功率器材的。芯片。面积减小了 50% 以上。

图 5：GaN 与 MOSFET 功率级比较。

总结。

人形机器人对操控精度和功率密度的要求较高。GaN 能够在高 PWM 频率下以低损耗轻松完成更。高精度。的电机操控。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，可进一步减小尺度。因为这些优势，GaN 型电机驱动器或许会成为人形机器人的首选规划，带来更高效、更安稳和更智能的机器人规划。

除了人形机器人之外，GaN 技能也是其他类型机器人（协作机器人、外科手术机器人、AGV）、。工业。伺服体系、家用电器和其他需求高功率密度的使用的抱负挑选。

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