氮化镓零件如何驱动机器人的运动、感官、大脑
- 吴冠仪／台北讯
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全球人形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领域劳动力短缺的可行方案。机器人市场在未来几年内有望实现显着成长。
然而，人形机器人的实际应用仍然受到一些因素制约，如制造成本、回应速度、程序设计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IC发挥的关键作用。
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。这是由无刷直流马达（BLDC）实现的，这些马达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直流马达，每个马达用来驱动机器人的不同部位，如手指、脚趾、手臂、腿、颈部和躯干。
这些直流马达的功率需求根据其执行的具体功能而有所不同。例如，驱动机器人手指的马达可能只需要几安培的电流，而驱动臀部或腿部的马达可能需要80安培或更多。无论功率需求如何，直流马达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效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效能，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Si-MOSFET快10到100倍。这种高速开关能力使直流马达能够在更高频率下运行，减少马达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，如人形机器人中的马达驱动。通过减少电容器的尺寸，马达驱动的整体尺寸和重量可以最
小化，使其更容易整合到马达外壳内。
氮化镓器件的另一个关键优势是其没有反向恢复电荷（QRR）。在传统的Si-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，使马达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马达的功率降低，并可能导致马达出现噪音。氮化镓器件将死区时间从几百纳减少到仅几个纳秒，提高了马达内每安培的扭矩，结果带来更高效的马达和更安静的系统。
总体而言，氮化镓器件的使用在运动控制应用中带来了显着优势，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。
用于马达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整合到一个芯片中，包括功率晶体管、闸极驱动器和保护电路。图2显示了EPC23102的功能框图。通过将关键功能整合到一个芯片中，EPC23102节省了宝贵的设计阶段和电路板空间，对紧凑而复杂的人形机器人至关重要。
EPC9176参考设计是一个使用EPC23102单片集成电路的GaN马达驱动示例，其功能框图如下图3所示。EPC9176是一个400W马达驱动逆变器，使用三个EPC23102集成电路，具有14V到85V的宽输入电压范围。它可以向马达提供高达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。
图三：图3，EPC9176参考设计板的功能图。EPC
增强机器人视觉：氮化镓在激光雷达系统中的应用
除了运动功能外，人形机器人还需要像人类一样，感知外界并与周遭环境进行互动。视觉是人形机器人关键的感官之一，了解周围环境、避开障碍物并执行复杂任务都需要视觉指引。为了实现这一目标，机器人依赖于先进的视觉系统，如激光雷达（LiDAR）不停发射雷射脉冲，通过测量这些脉冲从物体反射至传感器所需的时间来计算距离。通过计算这些脉冲的时差测距，激光雷达系统可以创建一个高分辨率3D数码地图。
与由镜头图像生成的地图相比，这种地图提供了整个环境的精确X、Y和Z座标。人工智能可以高效处理这些信息，形成对空间的意识并做出实时决策。激光雷达特别适合人形机器人，因为它能够带来高分辨率、长距离监测和快速的刷新率，这些对于需要精确度和及时获取环境信息的任务至关重要。然而，为了最大限度地发挥激光雷达系统的效能，电子设备必须能够以极高速度和高电流强度运行，而氮化镓器件天然能够满足这些需求。
氮化镓在激光雷达系统中发挥关键作用的原因是其卓越的开关速度，可以使得激光雷达实现高分辨率和快速的刷新率。氮化镓器件的开关速度比矽MOSFET快100倍，使激光雷达系统能够以更高频率发射和检测雷射脉冲。增加的频率意味着更高的分辨率，使机器人能够创建更详细和准确的环境地图。
除了速度，氮化镓器件比矽器件可以承受更高的电流密度，允许激光雷达发出更强大的雷射脉冲。这对于长距离检测尤为重要，可行进更远的距离并仍然返回足够强的信号。
氮化镓在激光雷达系统中的关键优势是其小尺寸和芯片级封装以最小化寄生电感，并有效提升系统效能。EPC开发了将强大的氮化镓晶体管与整合驱动器结合的IC，有效消除了常见的源电感和闸极环路电感，可以在更小的空间内传导更多电流，设计紧凑的激光雷达系统，轻松整合到机器人的结构中。
以EPC21601为例，这是一款15A、40V的整合氮化镓雷射驱动器，工作频率能够超过100 MHz。其1mm x 1.5mm的晶圆级封装紧凑，但其焊球提供了低电感。图4显示了EPC21601作为雷射驱动器的典型连接图。通过将晶体管和驱动器整合到一个电路中，EPC提高了效能，减少了尺寸和成本，并增加了人形机器人激光雷达系统的可靠性（EPC9154开发板可用于加快新设计的速度）。
为AI大脑供电：氮化镓在DC-DC转换器中的应用
AI系统对高效电源的需求，人形机器人的大脑是其人工智能（AI）系统，它处理感官数据、做出决策并控制机器人的运动。AI系统计算量极大，尤其是在执行实时影像处理、决策和运动控制等复杂任务时，需要大量电力来运行。为了满足这些电力需求，AI服务器电源依赖于高效的DC-DC转换器，以最小的损耗提供电力。
在人形机器人中，AI系统负责处理来自传感器的数据、做出决策并控制机器人的运动。基于氮化镓的DC-DC转换器通过以最小的损耗提供电力，确保AI系统能够在最佳效能下运行，从而解决这些问题。
氮化镓在AI服务器电源中的应用展示了人形机器人电力电子未来的发展方向。AI服务器需要极高的功率密度，以适应服务器板有限的空间，同时高效地提供电力。基于氮化镓的DC-DC转换器在这些方面表现出色，可以提供超过5000瓦每立方英寸的功率密度，效率接近98%。
EPC9159参考设计是一个基于氮化镓的DC-DC转换器示例，如图5所示，该设计的尺寸仅为23 x 18mm，能够持续提供1千瓦的电力。该设计在向12V负载提供1千瓦电力时，峰值效率超过97.5%，满负荷效率超过95.5%。
紧凑的尺寸结合高效率，使得基于氮化镓的DC-DC转换器非常适合为人形机器人的AI系统供电，在空间有限且电力效率至关重要的情况下尤为适用。
人形机器人已经悄然出现在我们生活的环境中。随着发达国家出生率下降，人们越来越担心人口老龄化将导致劳动力不足，而人形机器人有潜力填补劳动力缺口，帮助维持经济的稳定并提高全球的生活品质。
另外人形机器人爲了获得更高的爆发力，需要配置高功率密度、高效率、高响应的马达驱动器，GaN恰恰能够满足这些需求，还可以在热管理、紧凑设计等方面提高人形机器人的整体效能，优化整体设计。氮化镓技术的持续进步将不断促进人形机器人的发展，使其变得更加高效、可靠和功能强大。
EPC于CES 2025展出，如想在CES 2025期间与EPC GaN专家安排会议，欢迎联络info@epc-co.com。
