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

1. 人形機器人系統挑戰(zhàn) ：人形機器人集成多個子系統，其中伺服控制系統空間受限。為實現類似人類的運動范圍，需部署約 40 部伺服電機（PMSM） ，不同部位電機功率需求差異大，且其伺服系統對控制精度、尺寸和散熱要求高于傳統系統。
   
2. GaN FET 在人形機器人中的優(yōu)勢
   • 更精確的控制 ：在伺服電機驅動應用中，電流回路是控制的關鍵部分，其速度影響電機控制的精度和響應速度。提高電機控制回路速度和 PWM 頻率可滿足人形機器人對控制精度和反應速度的高要求。100kHz 的切換頻率能實現更高分辨率的電機電流，減少電機電流紋波，提升電機運行效率并減少發(fā)熱。同時，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，關斷和開啟時間短，能有效控制失效時間，降低切換損耗。此外，GaN FET 沒有體二極管，通過第三象限運作實現飛輪功能，可避免體二極管帶來的反向恢復損耗、切換節(jié)點振鈴和 EMI 風險，減少對其他裝置的干擾。
   • 體積更小 ：人形機器人接頭空間有限，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 和半橋式驅動器，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、縮小尺寸和保護裝置等優(yōu)點。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 ：GaN 在高 PWM 頻率下能實現高精度、低損耗的電機控制，結合其高功率密度和德州儀器集成式驅動器的特性，可進一步縮小尺寸。因此，GaN 架構的電機驅動器可能成為人形機器人的首選設計，也適用于其他需要高功率密度的應用場景，如協作機器人、手術機器人等。