氮化鎵零件如何驅動機器人的運動、感官、大腦

EPC GaN器件在人形機器人上的應用。EPC

全球人形隨著社會老齡化和出生率下降，特別是在發達國家，醫療保健、老年護理、製造業、服務業都越來越需要自動化勞動力，人形機器人正在成為解決各領域勞動力短缺的可行方案。機器人市場在未來幾年內有望實現顯著成長。

然而，人形機器人的實際應用仍然受到一些因素制約，如製造成本、回應速度、程式設計和設置機器人的成本，以及它們處理意外情況的能力。如何克服這些挑戰決定了人形機器人的普及速度，並最終決定了機器人將如何融入我們的日常生活和工作中。

多項技術趨勢正在推動人形機器人的發展，其中成本和功能是最重要的。提供高效率、緊湊尺寸和可靠性的先進電力電子技術是這些進步的核心。這就是氮化鎵（GaN）功率電晶體和IC發揮的關鍵作用。

人形機器人的運動功能

運動控制：機器人運動的核心，所有人形機器人的核心都是其模仿人類移動的能力。這是由無刷直流馬達（BLDC）實現的，這些馬達負責驅動機器人的關節、四肢和其他機械部件。通常一個人形機器人配備了大約40個BLDC直流馬達，每個馬達用來驅動機器人的不同部位，如手指、腳趾、手臂、腿、頸部和軀幹。

這些直流馬達的功率需求根據其執行的具體功能而有所不同。例如，驅動機器人手指的馬達可能只需要幾安培的電流，而驅動臀部或腿部的馬達可能需要80安培或更多。無論功率需求如何，直流馬達都必須保持運轉的高效，儘量減少能耗和熱量產生，這是保持機器人整體效能和可靠性的關鍵因素。

氮化鎵在運動控制中的重要性，氮化鎵（GaN）器件由於其優越的電氣效能，特別適用於人形機器人中的運動控制應用。氮化鎵器件的一個主要優勢是其極快的開關速度，比傳統的Si-MOSFET快10到100倍。這種高速開關能力使直流馬達能夠在更高頻率下運行，減少馬達損耗並提高整體系統效率。

氮化鎵器件的高開關速度使得更小、更可靠的陶瓷電容器可以代替笨重的電解電容器。這在空間緊湊的應用中尤為重要，如人形機器人中的馬達驅動。通過減少電容器的尺寸，馬達驅動的整體尺寸和重量可以最
小化，使其更容易集成到馬達外殼內。

氮化鎵器件的另一個關鍵優勢是其沒有反向恢復電荷（QRR）。在傳統的Si-MOSFET中，反向恢復電荷會
導致每個開關週期都會產生額外能耗，降低效率並產生額外的熱量。氮化鎵器件中不具有反向恢復電荷，消除了這種能量損失，使馬達能夠更高效地運行並產生更少的熱量。

此外，消除反向恢復電荷意味著在每個開關週期中需要的死區時間減少。死區時間的存在導致了傳遞給馬達的功率降低，並可能導致馬達出現噪音。氮化鎵器件將死區時間從幾百納減少到僅幾個納秒，提高了馬達內每安培的扭矩，結果帶來更高效的馬達和更安靜的系統。

總體而言，氮化鎵器件的使用在運動控制應用中帶來了顯著優勢，包括提高效率、減少尺寸和重量、降低成本和增加可靠性。這些優勢使氮化鎵非常適合為人形機器人提供動力，使得它們的結構緊湊、高效，並擁有可靠的電力電子設備來維持設備運轉。

用於馬達驅動的氮化鎵單片功率級，氮化鎵技術的一個最重要的進展是單片功率級的開發，例如EPC23102。這些單片氮化鎵積體電路將多個功能集成到一個晶片中，包括功率電晶體、閘極驅動器和保護電路。圖2顯示了EPC23102的功能框圖。通過將關鍵功能集成到一個晶片中，EPC23102節省了寶貴的設計階段和電路板空間，對緊湊而複雜的人形機器人至關重要。

EPC9176參考設計是一個使用EPC23102單片積體電路的GaN馬達驅動示例，其功能框圖如下圖3所示。EPC9176是一個400W馬達驅動逆變器，使用三個EPC23102積體電路，具有14V到85V的寬輸入電壓範圍。它可以向馬達提供高達20 ARMS電流單位的電流，適合為機器人的大多數小關節和執行器提供動力。

圖三：圖3，EPC9176參考設計板的功能圖。EPC

增強機器人視覺：氮化鎵在光達系統中的應用

除了運動功能外，人形機器人還需要像人類一樣，感知外界並與周遭環境進行互動。視覺是人形機器人關鍵的感官之一，瞭解周圍環境、避開障礙物並執行複雜任務都需要視覺指引。為了實現這一目標，機器人依賴於先進的視覺系統，如光達（LiDAR）不停發射雷射脈衝，通過測量這些脈衝從物體反射至感測器所需的時間來計算距離。通過計算這些脈衝的時差測距，光達系統可以創建一個高解析度3D數位地圖。

與由相機圖像生成的地圖相比，這種地圖提供了整個環境的精確X、Y和Z座標。人工智慧可以高效處理這些資訊，形成對空間的意識並做出即時決策。光達特別適合人形機器人，因為它能夠帶來高解析度、長距離監測和快速的刷新率，這些對於需要精確度和及時獲取環境資訊的任務至關重要。然而，為了最大限度地發揮光達系統的效能，電子設備必須能夠以極高速度和高電流強度運行，而氮化鎵器件天然能夠滿足這些需求。

氮化鎵在光達系統中發揮關鍵作用的原因是其卓越的開關速度，可以使得光達實現高解析度和快速的刷新率。氮化鎵器件的開關速度比矽MOSFET快100倍，使光達系統能夠以更高頻率發射和檢測雷射脈衝。增加的頻率意味著更高的解析度，使機器人能夠創建更詳細和準確的環境地圖。

除了速度，氮化鎵器件比矽器件可以承受更高的電流密度，允許光達發出更強大的雷射脈衝。這對於長距離檢測尤為重要，可行進更遠的距離並仍然返回足夠強的信號。

氮化鎵在光達系統中的關鍵優勢是其小尺寸和晶片級封裝以最小化寄生電感，並有效提升系統效能。EPC開發了將強大的氮化鎵電晶體與集成驅動器結合的IC，有效消除了常見的源電感和閘極環路電感，可以在更小的空間內傳導更多電流，設計緊湊的光達系統，輕鬆集成到機器人的結構中。

以EPC21601為例，這是一款15A、40V的集成氮化鎵雷射驅動器，工作頻率能夠超過100 MHz。其1mm x 1.5mm的晶圓級封裝緊湊，但其焊球提供了低電感。圖4顯示了EPC21601作為雷射驅動器的典型連接圖。通過將電晶體和驅動器集成到一個電路中，EPC提高了效能，減少了尺寸和成本，並增加了人形機器人光達系統的可靠性（EPC9154開發板可用於加快新設計的速度）。

為AI大腦供電：氮化鎵在DC-DC轉換器中的應用

AI系統對高效電源的需求，人形機器人的大腦是其人工智慧（AI）系統，它處理感官資料、做出決策並控制機器人的運動。AI系統計算量極大，尤其是在執行即時影像處理、決策和運動控制等複雜任務時，需要大量電力來運行。為了滿足這些電力需求，AI伺服器電源依賴于高效的DC-DC轉換器，以最小的損耗提供電力。

在人形機器人中，AI系統負責處理來自感測器的資料、做出決策並控制機器人的運動。基於氮化鎵的DC-DC轉換器通過以最小的損耗提供電力，確保AI系統能夠在最佳效能下運行，從而解決這些問題。

氮化鎵在AI伺服器電源中的應用展示了人形機器人電力電子未來的發展方向。AI伺服器需要極高的功率密度，以適應伺服器板有限的空間，同時高效地提供電力。基於氮化鎵的DC-DC轉換器在這些方面表現出色，可以提供超過5000瓦每立方英吋的功率密度，效率接近98%。

EPC9159參考設計是一個基於氮化鎵的DC-DC轉換器示例，如圖5所示，該設計的尺寸僅為23 x 18mm，能夠持續提供1千瓦的電力。該設計在向12V負載提供1千瓦電力時，峰值效率超過97.5%，滿負荷效率超過95.5%。

緊湊的尺寸結合高效率，使得基於氮化鎵的DC-DC轉換器非常適合為人形機器人的AI系統供電，在空間有限且電力效率至關重要的情況下尤為適用。

人形機器人已經悄然出現在我們生活的環境中。隨著發達國家出生率下降，人們越來越擔心人口老齡化將導致勞動力不足，而人形機器人有潛力填補勞動力缺口，幫助維持經濟的穩定並提高全球的生活品質。

另外人形機器人爲了獲得更高的爆發力，需要配置高功率密度、高效率、高響應的馬達驅動器，GaN恰恰能夠滿足這些需求，還可以在熱管理、緊湊設計等方面提高人形機器人的整體效能，優化整體設計。氮化鎵技術的持續進步將不斷促進人形機器人的發展，使其變得更加高效、可靠和功能強大。

EPC於CES 2025展出，如想在CES 2025期間與EPC GaN專家安排會議，歡迎聯絡info@epc-co.com。