德州儀器的 Eason Tian 和 Kyle Wolf 撰寫，主要探討了 GaN FET（氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）在人形機(jī)器人中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，旨在說明其如何解決人形機(jī)器人伺服系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。
*附件：探討在人形機(jī)器人中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì).pdf

1. 人形機(jī)器人系統(tǒng)挑戰(zhàn) ：人形機(jī)器人集成多個(gè)子系統(tǒng)，其中伺服控制系統(tǒng)空間受限。為實(shí)現(xiàn)類似人類的運(yùn)動(dòng)范圍，需部署約 40 部伺服電機(jī)（PMSM） ，不同部位電機(jī)功率需求差異大，且其伺服系統(tǒng)對(duì)控制精度、尺寸和散熱要求高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。
   
2. GaN FET 在人形機(jī)器人中的優(yōu)勢(shì)
   • 更精確的控制 ：在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，電流回路是控制的關(guān)鍵部分，其速度影響電機(jī)控制的精度和響應(yīng)速度。提高電機(jī)控制回路速度和 PWM 頻率可滿足人形機(jī)器人對(duì)控制精度和反應(yīng)速度的高要求。100kHz 的切換頻率能實(shí)現(xiàn)更高分辨率的電機(jī)電流，減少電機(jī)電流紋波，提升電機(jī)運(yùn)行效率并減少發(fā)熱。同時(shí)，提高 PWM 切換頻率可降低 DC 總線電容器尺寸和電容，陶瓷電容器替代電解電容器優(yōu)勢(shì)明顯。與 MOSFET 相比，GaN FET 在高頻率下切換損耗低，更適合高切換頻率場(chǎng)景。
   • 降低切換損耗 ：GaN 裝置的柵極電容（Cg）與輸出電容（Coss）較小，切換速度比 Si - MOSFET 快 100 倍，關(guān)斷和開啟時(shí)間短，能有效控制失效時(shí)間，降低切換損耗。此外，GaN FET 沒有體二極管，通過第三象限運(yùn)作實(shí)現(xiàn)飛輪功能，可避免體二極管帶來(lái)的反向恢復(fù)損耗、切換節(jié)點(diǎn)振鈴和 EMI 風(fēng)險(xiǎn)，減少對(duì)其他裝置的干擾。
   • 體積更小 ：人形機(jī)器人接頭空間有限，電源板尺寸受限，且需集成多種部件。GaN 的特定電阻（Rsp）較小，相同 Rdson 的情況下，GaN 的晶粒面積小于 MOSFET。以 LMG2100R026 為例，它集成了半橋式 FET 和半橋式驅(qū)動(dòng)器，能承受 55A 的連續(xù)電流，具有減少柵極振鈴、優(yōu)化封裝體積、縮小尺寸和保護(hù)裝置等優(yōu)點(diǎn)。與 MOSFET 相比，采用 GaN 的整體電源裝置晶片面積極大減少。
3. 總結(jié) ：GaN 在高 PWM 頻率下能實(shí)現(xiàn)高精度、低損耗的電機(jī)控制，結(jié)合其高功率密度和德州儀器集成式驅(qū)動(dòng)器的特性，可進(jìn)一步縮小尺寸。因此，GaN 架構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可能成為人形機(jī)器人的首選設(shè)計(jì)，也適用于其他需要高功率密度的應(yīng)用場(chǎng)景，如協(xié)作機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人等。