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作者：德州儀器 引言 人形機器人集成了許多子系統，包括伺服控制系統、電池管理系統 (BMS)、傳感器系統、AI 系統控制等。如果要將這些系統集成到等同人類(lèi)的體積內，同時(shí)保持此復雜系統平穩運行，會(huì )很難滿(mǎn)足尺寸和散熱要求。人形機器人內空間受限最大的子系統是伺服控制系統。為了實(shí)現與人類(lèi)相似的運動(dòng)范圍，通常在整個(gè)機器人中部署大約 40 個(gè)伺服電機 (PMSM) 和控制系統。電機分布在機器人身體的不同部位，例如頸部、軀干、手臂、腿、腳趾等。該數字不包括手部的電機。為了模擬人手的自由操作，單只手即可能集成十多個(gè)微型電機。這些電機的電源要求取決于所執行的具體功能；例如，驅動(dòng)機器人手指的電機可能只需要數安培電流，而驅動(dòng)髖關(guān)節或腿的電機可能需要 100 安培或更高的電流。 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。本文介紹了 GaN（氮化鎵）技術(shù)在電機驅動(dòng)器中的各種優(yōu)勢，并展示了 GaN 如何幫助解決人形機器人中伺服系統面臨的挑戰。 更精確的控制 在伺服電機驅動(dòng)應用中，電機控制通常分為幾個(gè)控制回路層：電流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高級別的運動(dòng)控制回路。這些回路通常以級聯(lián)的形式排列，每個(gè)回路都有“實(shí)時(shí)”處理要求。電流/扭矩回路是速度最快的控制回路。每個(gè)上游回路以其之前回路的倍數運行，并為下游回路提供輸入參考。圖 1 顯示了典型的級聯(lián)控制拓撲。 圖 1 典型的伺服電機控制回路技術(shù) 控制回路最重要的部分是電流回路。通常，FET 開(kāi)關(guān)頻率與電流回路相同，約為 8kHz 至 32kHz。電流回路的速度直接影響電機控制的精度和響應速度。人形機器人的一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作涉及多個(gè)伺服電機的控制。為了協(xié)調機器人身體中的近 40 個(gè)電機，同時(shí)保持系統的穩定性，每個(gè)關(guān)節的控制精度和響應速度必須滿(mǎn)足非常高的要求�？赏ㄟ^(guò)提高電機控制回路的速度和 PWM 頻率來(lái)滿(mǎn)足這些要求。例如，100kHz（圖 2）的開(kāi)關(guān)頻率可以實(shí)現分辨率更高的電機電流，從而實(shí)現更小的電機電流紋波和更精確的控制。高分辨率電機電流波形也意味著(zhù)可以獲得更好的正弦電流，這可以提高電機的運行效率并減少電機發(fā)熱。 圖 2 100kHz 和 10kHz PWM 電機電流 此外，增加 PWM 開(kāi)關(guān)頻率可以減小 DC 總線(xiàn)電容器的尺寸和電容。對于要替換為陶瓷電容器的電解電容器，需要滿(mǎn)足的總線(xiàn)電容要求降低。伺服功率級 FET 通過(guò) PWM 信號定期從總線(xiàn)電容器汲取電流。當 PWM 頻率增加時(shí)，每個(gè)單位時(shí)間消耗的電荷量減小，這意味著(zhù)所需的總線(xiàn)電容減少。根據 TIDA-010936 的測試，將 PWM 頻率從 20kHz 提高到 80kHz 后，可以用電容相等的陶瓷電容器代替電解電容器，以獲得相似的總線(xiàn)電壓紋波。與電解電容器相比，陶瓷電容器具有明顯優(yōu)勢：更小的尺寸、更長(cháng)的使用壽命、更好的高頻特性等。 因此，在設計人形機器人時(shí)必須考慮速度更高的電流回路和更高的 PWM 頻率。對于 MOSFET 型伺服驅動(dòng)器，PWM 開(kāi)關(guān)頻率的增加會(huì )帶來(lái)很大的額外損耗，從而導致驅動(dòng)器嚴重發(fā)熱。當開(kāi)關(guān)頻率從 10kHz 增加到 20kHz 時(shí)，MOSFET 型驅動(dòng)器會(huì )讓總體損耗增加 20%至 30%，這對于人形機器人是不可接受的。此外，GaN FET 在高頻下具有較低開(kāi)關(guān)損耗。在 TIDA-010936 測試中，電路板損耗在 40kHz 和 80kHz 下幾乎相同，因此 GaN 特別適合高開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)景。 圖 3 TIDA-010936 電路板在 48V 輸入電壓下的損耗與三相輸出電流間的關(guān)系 減少開(kāi)關(guān)損耗 GaN 之所以能夠實(shí)現如此低的開(kāi)關(guān)損耗，源于 GaN 器件的特性。GaN 器件具有更小的柵極電容 (CG) 和更小的輸出電容 (Coss)，可實(shí)現達到 Si-MOSFET 100 倍的開(kāi)關(guān)速度。由于關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)間縮短，可以在較短的范圍內控制死區時(shí)間，例如 10-20ns，而 MOSFET 通常需要約 1us 的死區時(shí)間。死區時(shí)間的縮短可降低開(kāi)關(guān)損耗。此外，GaN FET 沒(méi)有體二極管，但續流功能通過(guò)第三象限操作實(shí)現。在高頻 PWM 場(chǎng)景中，MOSFET 的體二極管會(huì )導致較大的反向恢復損耗（Qrr 損耗）。第三象限操作還可避免開(kāi)關(guān)節點(diǎn)響鈴和由體二極管引起的 EMI 風(fēng)險，從而降低對高功率密度人形機器人中其他器件的干擾。 尺寸更小 人形機器人的關(guān)節空間有限。電源板通常是直徑為 5-10 cm 的環(huán)形 PCB。此外，關(guān)節必須集成電機、減速器、編碼器甚至傳感器。重要的是，設計人員必須在有限的空間內實(shí)現更高的功率和更穩定的電機控制。與 MOSFET 相比，GaN 具有更小的 RSP（比電阻、裸片面積尺寸比較），這意味著(zhù)與具有相同 RDSon 的 MOSFET 相比，GaN 具有更小的裸片面積。德州儀器 (TI) 通過(guò)集成 FET 和柵極驅動(dòng)器進(jìn)一步減小了占用空間。這樣可以實(shí)現 4.4mΩ 半橋 + 柵極驅動(dòng)器，并且封裝僅為 4.5 x 5.5mm。 圖 4 LMG2100 方框圖 以 LMG2100R026 為例。該器件集成了半橋的 FET 和半橋驅動(dòng)器，可承受 55A 的持續電流。將驅動(dòng)器與 FET 集成有許多優(yōu)勢，包括： • 減少了柵極響鈴，讓運行更可靠 • 減小了電源回路電感并且優(yōu)化了封裝尺寸 • 通過(guò)集成柵極驅動(dòng)器減小了尺寸 • 通過(guò)集成的保護功能保護器件 為了在設計中比較 GaN 和 MOSFET，我們可以查看提供類(lèi)似功率級別的 TIDA-010936 和 TIDA-01629 設計。如圖 5 所示，由于集成了柵極驅動(dòng)器并降低了 GaN 的 RSP，整個(gè)功率器件的芯片面積減小了 50% 以上。 圖 5 GaN 與 MOSFET 功率級比較 總結 人形機器人對控制精度和功率密度的要求較高。GaN 可以在高 PWM 頻率下以低損耗輕松實(shí)現更高精度的電機控制。GaN 的高功率密度特性與德州儀器 (TI) 的集成式驅動(dòng)器的特性相結合，可進(jìn)一步減小尺寸。由于這些優(yōu)勢，GaN 型電機驅動(dòng)器可能會(huì )成為人形機器人的首選設計，帶來(lái)更高效、更穩定和更智能的機器人設計。 除了人形機器人之外，GaN 技術(shù)也是其他類(lèi)型機器人（協(xié)作機器人、外科手術(shù)機器人、AGV）、工業(yè)伺服系統、家用電器和其他需要高功率密度的應用的理想選擇。 |
