GaN FET 應用於人形機器人，可在高 PWM 頻率下輕鬆實現具低損耗的更高精密度馬達控制
人形機器人整合了許多子系統，其中包括伺服控制系統，電池管理系統 (BMS) ，感測器系統， AI 系統控制等。 將這些系統整合至人員體積中，同時維持複雜系統的平穩運作，要符合尺寸與散熱需求是極富挑戰性的。人形機 器人中空間最受限的子系統是伺服控制系統。為了達到與人類類似的運動範圍，機器人中通常部署了約 40 部伺服馬達 (PMSM) 和控制系統。馬達分佈在身體的不同部位，例如頸部、軀幹、手臂、腿部、腳趾等。此編號不包括 手中的電機。若要模擬人的手自由度，一隻手即可整合十幾個以上的微馬達。這些馬達的功率需求視執行的特定功能而定；例如，驅動機器人手指的馬達可能只需要幾安培，而驅動髖部或腿部的馬達則需要 100 安培以上。 與傳統伺服系統相比，人形機器人的伺服系統具有更高的控制精度、尺寸和散熱要求。本文說明 GaN （氮化鎵） 技術在馬達驅動中的各種優勢，並展示 GaN 如何協助解決人形機器人伺服系統所面臨的挑戰。
實現更精確的控制
在伺服馬達驅動應用中，馬達控制通常可分為幾個控制迴路層：電流/扭力迴路、速度迴路、位置迴路及更高階的 動作控制迴路。這些迴路通常以串接方式配置，每個都有自己的「即時」處理需求。電流或扭力迴路是最快的控 制迴路。每個上游迴路在該迴路前會有多個迴路運作，並提供輸入參考至下游迴路。
控制迴路最重要的部分是電流迴路。FET 切換頻率通常與電流迴路相同，約為 8kHz 至 32kHz。電流迴路的速度 會直接影響馬達控制的準確度和回應速度。人形機器人的簡單動作包含控制許多伺服馬達。為了在機器人體中協調將近 40 個馬達，同時維持系統穩定性，每個接頭的控制精度和反應速度必須符合非常高的要求。提高馬達控制迴路速度和 PWM 頻率，即可滿足這些需求。例如，100 kHz 的切換頻率可以實現更高的解析度電機電流，對應較小的電機電流漣波和更精確的控制。高解析度馬達電流波形也代表正弦波電流更佳，可提升馬達的運作效率並減少馬達加熱。
此外，提高 PWM 切換頻率可減少 DC 匯流排電容器尺寸和電容。以陶瓷電容器取代電解電容器的匯流排電容需求較低。伺服功率級 FET 會定期利用 PWM 訊號從匯流排電容器汲取電流。PWM 頻率增加時，每單位時間消耗 的電荷量會變小，代表所需的匯流排電容也會減少。根據 TIDA-010936 的測試 , 將 PWM 頻率從 20kHz 提高到 80kHz 後 , 電解電容器可以用相等電容的陶瓷電容器替換 , 以獲得類似的匯流排電壓漣波。陶瓷電容器比電解電容 器具有明顯的優勢：尺寸更小、使用壽命更長、高頻率特性更佳等等。
因此，在設計人形機器人時，必須考量更高速的電流迴路和 PWM 頻率。對 MOSFET 架構伺服驅動器而言， PWM 切換頻率增加會帶來大量額外損耗，造成驅動器嚴重加熱。當切換頻率從 10kHz 提高到 20kHz 時，MOSFET 型驅動器的整體損耗會增加 20% 至 30% ，這是人形機器人無法承受的。或者， GaN FET 也可在高頻率下提供低切換損耗。在 TIDA-010936 測試中，在 40kHz 和 80kHz 時電路板損耗幾乎相同，因此 GaN 特別適合高切換頻率情境。
降低切換損耗
GaN 裝置的特性，讓 GaN 可實現如此低切換損耗。GaN 裝置的閘極電容 (Cg) 與輸出電容 (Coss) 較小，可實現 比 Si-MOSFET 快 100 倍的切換速度。由於關閉和開啟時間縮短，失效時間可控制在較短範圍內，例如 10-20ns ，而 MOSFET 通常需要約 1us 的失效時間。減少失效時間可降低切換損耗。此外，GaN FET 沒有本體二極體，但飛輪功能可透過第三象限運作實現。在高頻率 PWM 情境中，MOSFET 的本體二極體會造成較大的反向復原損耗 (Qrr 損耗)。第三象限運作也可避免本體二極體造成的切換節點振鈴和 EMI 風險，以減少對高功率密度人形機器人中其他裝置的干擾。
體積更小
人形機器人的接頭空間有限。電源板通常是直徑 5-10 cm 的環形 PCB。 此外，接頭必須整合馬達、減速器、編碼器，甚至是感測器。至關重要的是，設計人員必須在有限空間內實現更高功率與更穩定的馬達控制。相較於 MOSFET，GaN 的 Rsp（特定電阻，面積與晶粒尺寸比較）較小。也就是説，較同一 Rdson 的 MOSFET，GaN 的晶粒面積較小。德州儀器透過整合 FET 與閘極驅動器，進一步縮小佔地面積。如此可在僅 4.5 x 5.5mm 的封裝中實現 4.4mΩ Ω 半橋 + 閘極驅動器。
以 LMG2100R026 為例。此裝置整合半橋式與半橋式驅動器的 FET，可承受 55A 的連續電流。整合驅動器與 FET 有許多優點，其中包括：
• 減少閘極振鈴，實現更可靠的運作
• 以最佳化封裝體積減少電源迴路電感
• 可透過整合閘極驅動器來縮小尺寸
• 以整合式防護保護裝置
若要在設計中比較 GaN 與 MOSFET ，我們可看到提供類似功率位準的 TIDA-010936 與 TIDA-01629 設計。如首圖所示，由於整合式閘極驅動器與較低 GaN Rsp 的緣故，整體電源裝置的晶片面積減少超過 50%。
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