探讨 GaN FET 在人形机器人中的应用优势

德州仪器的 Eason Tian 和 Kyle Wolf 撰写，主要探讨了 GaN FET（氮化镓场效应晶体管）在人形机器人中的应用优势，旨在说明其如何解决人形机器人伺服系统面临的挑战。
*附件：探讨在人形机器人中的应用优势.pdf

1. 人形机器人系统挑战 ：人形机器人集成多个子系统，其中伺服控制系统空间受限。为实现类似人类的运动范围，需部署约 40 部伺服电机（PMSM） ，不同部位电机功率需求差异大，且其伺服系统对控制精度、尺寸和散热要求高于传统系统。
   
2. GaN FET 在人形机器人中的优势
   • 更精确的控制 ：在伺服电机驱动应用中，电流回路是控制的关键部分，其速度影响电机控制的精度和响应速度。提高电机控制回路速度和 PWM 频率可满足人形机器人对控制精度和反应速度的高要求。100kHz 的切换频率能实现更高分辨率的电机电流，减少电机电流纹波，提升电机运行效率并减少发热。同时，提高 PWM 切换频率可降低 DC 总线电容器尺寸和电容，陶瓷电容器替代电解电容器优势明显。与 MOSFET 相比，GaN FET 在高频率下切换损耗低，更适合高切换频率场景。
   • 降低切换损耗 ：GaN 装置的栅极电容（Cg）与输出电容（Coss）较小，切换速度比 Si - MOSFET 快 100 倍，关断和开启时间短，能有效控制失效时间，降低切换损耗。此外，GaN FET 没有体二极管，通过第三象限运作实现飞轮功能，可避免体二极管带来的反向恢复损耗、切换节点振铃和 EMI 风险，减少对其他装置的干扰。
   • 体积更小 ：人形机器人接头空间有限，电源板尺寸受限，且需集成多种部件。GaN 的特定电阻（Rsp）较小，相同 Rdson 的情况下，GaN 的晶粒面积小于 MOSFET。以 LMG2100R026 为例，它集成了半桥式 FET 和半桥式驱动器，能承受 55A 的连续电流，具有减少栅极振铃、优化封装体积、缩小尺寸和保护装置等优点。与 MOSFET 相比，采用 GaN 的整体电源装置晶片面积极大减少。
3. 总结 ：GaN 在高 PWM 频率下能实现高精度、低损耗的电机控制，结合其高功率密度和德州仪器集成式驱动器的特性，可进一步缩小尺寸。因此，GaN 架构的电机驱动器可能成为人形机器人的首选设计，也适用于其他需要高功率密度的应用场景，如协作机器人、手术机器人等。