探索TI GaN FET在類人機器人中的應用
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類人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的體積內，同時保持此復雜系統平穩運行，會很難滿足尺寸和散熱要求。類人機器人內空間受限最大的子系統是伺服控制系統。為了實現與人類相似的運動范圍，通常在整個機器人中部署大約40個伺服電機 (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，驅動機器人手指的電機可能只需要數安培電流，而驅動髖關節或腿的電機可能需要100安培或更高的電流。
本文引用地址：http://www.104case.com/article/202506/471358.htm與傳統伺服系統相比，類人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）技術在電機驅動器中的各種優勢，并展示了GaN如何幫助解決類人機器人中伺服系統面臨的挑戰。
更精確的控制
在伺服電機驅動應用中，電機控制通常分為幾個控制回路層：電流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高級別的運動控制回路。這些回路通常以級聯的形式排列，每個回路都有“實時”處理要求。電流/扭矩回路是速度最快的控制回路。每個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顯示了典型的級聯控制拓撲。
圖 1. 典型的伺服電機控制回路技術
控制回路最重要的部分是電流回路。通常，FET開關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。類人機器人的一個簡單動作涉及多個伺服電機的控制。為了協調機器人身體中的近40個電機，同時保持系統的穩定性，每個關節的控制精度和響應速度必須滿足非常高的要求。可通過提高電機控制回路的速度和 PWM 頻率來滿足這些要求。例如，100kHz (圖2) 的開關頻率可以實現分辨率更高的電機電流，從而實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熱。
圖2. 100kHz 和 10kHz PWM 電機電流
此外，增加PWM開關頻率可以減小DC總線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，需要滿足的總線電容要求降低。伺服功率級 FET 通過 PWM 信號定期從總線電容器汲取電流。當PWM頻率增加時，每個單位時間消耗的電荷量減小，這意味著所需的總線電容減少。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，以獲得相似的總線電壓紋波。與電解電容器相比，陶瓷電容器具有明顯優勢：更小的尺寸、更長的使用壽命、更好的高頻特性等。
因此，在設計類人機器人時必須考慮速度更高的電流回路和更高的PWM頻率。對于 MOSFET型伺服驅動器，PWM開關頻率的增加會帶來很大的額外損耗，從而導致驅動器嚴重發熱。當開關頻率從 10kHz 增加到 20kHz 時，MOSFET 型驅動器會讓總體損耗增加 20%至 30%，這對于類人機器人是不可接受的。此外，GaN FET在高頻下具有較低開關損耗。在 TIDA-010936 測試中，電路板損耗在 40kHz 和 80kHz 下幾乎相同，因此 GaN 特別適合高開關頻率場景。
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系
減少開關損耗
GaN之所以能夠實現如此低的開關損耗，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)，可實現達到 Si-MOSFET 100 倍的開關速度。由于關斷和開通時間縮短，可以在較短的范圍內 控制死區時間，例如 10-20ns，而 MOSFET 通常需要約 1us 的死區時間。死區時間的縮短可降低開關損耗。此外，GaN FET沒有體二極管，但續流功能通過第三象限操作實現。在高頻PWM場景中，MOSFET 的體二極管會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關節點響鈴和由體二極管引起的 EMI 風險，從而降低對高功率密度類人機器人中其他器件的干擾。
尺寸更小
類人機器人的關節空間有限。電源板通常是直徑為 5-10 cm 的環形 PCB。此外，關節必須集成電機、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) 通過集成 FET 和柵極驅動器進一步減小了占用空間。這樣可以實現 4.4mΩ 半橋 + 柵極驅動器，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和半橋驅動器，可承受55A的持續電流。將驅動器與FET集成有許多優勢，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化了封裝尺寸
? 通過集成柵極驅動器減小了尺寸
? 通過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器并降低了 GaN 的 RSP，整個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
TIDA-010936適用于集成電機驅動器的 48V/16A 小尺寸三相 GaN 逆變器參考設計
此參考設計演示了高功率密度 12V 至 60V 三相功率級，該功率級使用三個LMG2100R044 100V、35A 氮化鎵 （GaN） 半橋，并集成了 GaN FET、驅動器和自舉二極管，專門用于電機集成伺服驅動器和機器人應用。通過 IN241A 電流感應放大器或功能隔離的 AMC0106M05 δ-sigma 調制器實現精確的相位電流感應，還可以測量直流母線和相電壓，從而驗證先進的無傳感器設計，例如 InstaSPINFOC?。該設計提供與 TI BoosterPack? 兼容的 3.3V I/O 接口，以連接到 C2000? MCU LaunchPad? 開發套件或 Sitara? 微控制器，以便快速輕松地評估 TI 的 GaN 技術的性能。
特征
小尺寸 LMG2100R044 GaN 半橋功率級可實現高功率密度和簡單的 PCB 布局
40kHz PWM 的高效率（99.3% 峰值）可在 25°C 環境溫度下運行，無需散熱器即可達到 16ARMS 的連續電流
LMG2100R044 器件可在更高的 PWM 頻率下工作，通過用陶瓷電容器代替電解電容器來幫助減小 DC 總線電容器的尺寸和高度
零反向恢復損耗減少了開關節點振蕩
16.6ns 的低死區時間可最大限度地減少相電壓失真
精密相位電流感應選項，使用 1mΩ 分流器，帶有具有高 PWM 抑制的 INA241A 放大器或AMC0106M05功能隔離調制器
應用示例
設計資源匯總
硬件開發評估板
BOOSTXL-LMG2100-MD — LMG2100 升壓評估模塊
LAUNCHXL-F28P65X — C2000? 實時 MCU F28P65x LaunchPad? 開發套件
軟件開發工具包 （SDK）
C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK — 適用于 C2000? MCU 的 MotorControl 軟件開發套件 （SDK）
設計指南 — TIDA-010936參考設計概述和經過驗證的性能測試數據
原理圖 — TIDA-010936設計布局和元件的詳細原理圖
物料清單 （BOM） — TIDA-010936設計元件、參考標號和制造商/零件編號的完整列表
裝配圖 — TIDA-010936元件貼裝的設計布局詳細概述
CAD/CAE 符號 — TIDA-010936用于 IC 元件的 3D 模型或 2D 圖紙的文件
Gerber 文件 — TIDA-010936包含設計 PCB 物理板層信息的設計文件
PCB 布局 — TIDA-010936用于生成 PCB 設計布局的 PCB 層繪圖文件
總結
類人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) 的集成式驅動器的特性相結合，可進一步減小尺寸。由于這些優勢， GaN 型電機驅動器可能會成為類人機器人的首選設計，帶來更高效、更穩定和更智能的機器人設計。 除了類人機器人之外，GaN 技術也是其他類型機器人（協作機器人、外科手術機器人、AGV）、工業伺服系統、 家用電器和其他需要高功率密度的應用的理想選擇。
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