GaN FET在人形機(jī)器人中的應(yīng)用

引言

人形機(jī)器人集成了許多子系統(tǒng)，包括伺服控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng) (BMS)、傳感器系統(tǒng)、AI 系統(tǒng)控制等。如果要將這些系統(tǒng)集成到等同人類的體積內(nèi)，同時(shí)保持此復(fù)雜系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，會(huì)很難滿足尺寸和散熱要求。人形機(jī)器人內(nèi)空間受限最大的子系統(tǒng)是伺服控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)與人類相似的運(yùn)動(dòng)范圍，通常在整個(gè)機(jī)器人中部署大約 40 個(gè)伺服電機(jī) (PMSM) 和控制系統(tǒng)。電機(jī)分布在機(jī)器人身體的不同部位，例如頸部、軀干、手臂、腿、腳趾等。該數(shù)字不包括手部的電機(jī)。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(jī)。這些電機(jī)的電源要求取決于所執(zhí)行的具體功能；例如，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指的電機(jī)可能只需要數(shù)安培電流，而驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)或腿的電機(jī)可能需要 100 安培或更高的電流。

與傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)相比，人形機(jī)器人的伺服系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器中的各種優(yōu)勢(shì)，并展示了 GaN 如何幫助解決人形機(jī)器人中伺服系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

圖1 典型的伺服電機(jī)控制回路技術(shù)

更精確的控制

在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，電機(jī)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(jí)別的運(yùn)動(dòng)控制回路。這些回路通常以級(jí)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(shù)運(yùn)行，并為下游回路提供輸入?yún)⒖?。圖 1 顯示了典型的級(jí)聯(lián)控制拓?fù)洹?/p>

控制回路最重要的部分是電流回路。通常，F(xiàn)ET 開關(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(jī)控制的精度和響應(yīng)速度。人形機(jī)器人的一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作涉及多個(gè)伺服電機(jī)的控制。為了協(xié)調(diào)機(jī)器人身體中的近 40 個(gè)電機(jī)，同時(shí)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每個(gè)關(guān)節(jié)的控制精度和響應(yīng)速度必須滿足非常高的要求?？赏ㄟ^(guò)提高電機(jī)控制回路的速度和 PWM 頻率來(lái)滿足這些要求。例如，100kHz（圖 2）的開關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)分辨率更高的電機(jī)電流，從而實(shí)現(xiàn)更小的電機(jī)電流紋波和更精確的控制。高分辨率電機(jī)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(jī)的運(yùn)行效率并減少電機(jī)發(fā)熱。

此外，增加 PWM 開關(guān)頻率可以減小 DC 總線電容器的尺寸和電容。對(duì)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(jí) FET 通過(guò) PWM 信號(hào)定期從總線電容器汲取電流。當(dāng) PWM 頻率增加時(shí)，每個(gè)單位時(shí)間消耗的電荷量減小，這意味著所需的總線電容減少。根據(jù) TIDA-010936 的測(cè)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(yōu)勢(shì)：更小的尺寸、更長(zhǎng)的使用壽命、更好的高頻特性等。

因此，在設(shè)計(jì)人形機(jī)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(duì)于 MOSFET 型伺服驅(qū)動(dòng)器，PWM 開關(guān)頻率的增加會(huì)帶來(lái)很大的額外損耗，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器嚴(yán)重發(fā)熱。當(dāng)開關(guān)頻率從 10kHz 增加到 20kHz 時(shí)，MOSFET 型驅(qū)動(dòng)器會(huì)讓總體損耗增加 20%至 30%，這對(duì)于人形機(jī)器人是不可接受的。此外，GaN FET 在高頻下具有較低開關(guān)損耗。在 TIDA-010936 測(cè)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(guān)頻率場(chǎng)景。

圖2 100kHz和10kHz PWM電機(jī)電流

減少開關(guān)損耗

GaN 之所以能夠?qū)崿F(xiàn)如此低的開關(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(xiàn)達(dá)到 Si-MOSFET 100 倍的開關(guān)速度。由于關(guān)斷和開通時(shí)間縮短，可以在較短的范圍內(nèi)控制死區(qū)時(shí)間，例如 10-20ns，而 MOSFET 通常需要約 1us 的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的縮短可降低開關(guān)損耗。此外，GaN FET 沒(méi)有體二極管，但續(xù)流功能通過(guò)第三象限操作實(shí)現(xiàn)。在高頻 PWM 場(chǎng)景中，MOSFET 的體二極管會(huì)導(dǎo)致較大的反向恢復(fù)損耗（Qrr 損耗）。第三象限操作還可避免開關(guān)節(jié)點(diǎn)響鈴和由體二極管引起的 EMI 風(fēng)險(xiǎn)，從而降低對(duì)高功率密度人形機(jī)器人中其他器件的干擾。

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

尺寸更小

人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)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(jié)必須集成電機(jī)、減速器、編碼器甚至傳感器。重要的是，設(shè)計(jì)人員必須在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率和更穩(wěn)定的電機(jī)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(guò)集成 FET 和柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步減小了占用空間。這樣可以實(shí)現(xiàn) 4.4mΩ 半橋 + 柵極驅(qū)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(qū)動(dòng)器，可承受 55A 的持續(xù)電流。將驅(qū)動(dòng)器與 FET 集成有許多優(yōu)勢(shì)，包括：

●   減少了柵極響鈴，讓運(yùn)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(qū)動(dòng)器減小了尺寸

●   通過(guò)集成的保護(hù)功能保護(hù)器件

為了在設(shè)計(jì)中比較 GaN 和 MOSFET，我們可以查看提供類似功率級(jí)別的 TIDA-010936 和 TIDA-01629 設(shè)計(jì)。如圖 5 所示，由于集成了柵極驅(qū)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(jí)比較

總結(jié)

人形機(jī)器人對(duì)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(xiàn)更高精度的電機(jī)控制。GaN 的高功率密度特性與德州儀器 (TI) 的集成式驅(qū)動(dòng)器的特性相結(jié)合，可進(jìn)一步減小尺寸。由于這些優(yōu)勢(shì)，GaN 型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)成為人形機(jī)器人的首選設(shè)計(jì)，帶來(lái)更高效、更穩(wěn)定和更智能的機(jī)器人設(shè)計(jì)。

除了人形機(jī)器人之外，GaN 技術(shù)也是其他類型機(jī)器人（協(xié)作機(jī)器人、外科手術(shù)機(jī)器人、AGV）、工業(yè)伺服系統(tǒng)、家用電器和其他需要高功率密度的應(yīng)用的理想選擇。