TI:氮化镓赋能人形机器人高效电机关节

随着全身人形机器人的兴起，支撑其运动的电机控制器、功率电子器件和散热系统，必须提供比以往更强的动力、更高的精度和更高的效率。

为了实现与人类相近的活动范围，机器人全身通常需要部署约40 个伺服电机—— 一般是永磁同步电机（PMSM）或无刷直流电机（BLDC）。这些电机分布在身体不同部位，主要集中在颈部、躯干、手臂、腿部、脚趾及其他关节（手部除外）。为模拟人类的灵巧性，单只机械手可集成超过 10 个额外电机，用于控制独立手指与抓取机构。

这些电机的功率需求因具体功能而异。驱动手腕或手指精细动作的电机可能只需几安培电流，而嵌入髋部或膝盖的电机为支撑全身重量，电流需求可超过 100A。大多数情况下，这类机器人采用48V 配电架构，每块功率板为电机提供约500W～1kW功率。在这样的功率等级下，热管理成为首要挑战。

面对日益提升的功率密度要求，这些电机必须紧凑、轻量化且高效，才能装进人类尺寸的关节，同时实现人类级别的精准动作。通常由磁场定向控制（FOC）实现的高带宽、实时控制，对协调不同关节运动、保持平衡至关重要。同时，由每个关节内的紧凑型传感器提供的精准位置检测，是保证动作流畅、灵巧的关键。

TI人形机器人手臂解决方案参考设计板

德州仪器（TI）系统工程与市场总监王瑞恩（Ryan Wang）表示，氮化镓（GaN）正越来越多地被用于应对这些独特需求。得益于更低的开关损耗，GaN 功率场效应管可处理超过 100kHz的脉宽调制（PWM）频率，从而实现更精准的电机控制。

同样重要的是，GaN 能够在保持高效率的同时不产生过多热量，这让功率电子器件更容易装进空间紧凑的电机关节。

在上方视频中，德州仪器展示了其 GaN 功率级产品：每个器件都将半桥电路与栅极驱动器集成在单一封装内，与 MOSFET 方案相比，占位面积减少50% 以上。该演示展示了由一对基于 GaN 的功率板驱动的机械臂：一块用于驱动嵌入肘关节的电机，另一块控制手部的指关节。

这些功率板均基于 TI 的C2000 实时微控制器（MCU）。嵌入机器人肘关节的电机控制器控制三个半桥，为三相电机供电。TI 表示，这些 MCU 通过EtherCAT与系统其他部分通信 —— 这是一种基于以太网的实时工业级通信技术，广泛应用于工业自动化。

王瑞恩指出：“对机器人臂关节而言，最重要的是尽可能做得小巧、同时尽可能高效，同时不损失对速度、转矩和位置进行精确、动态控制的能力。”

图：传统伺服电机控制环路结构示意图

人形机器人关节内部的电机控制挑战

对于嵌入每个关节深处的电机，电机控制通常分为多个控制环路层级：转矩环、速度环、位置环，以及协调所有环路的运动控制环。上层控制环为下层提供参考输入。因此，每个控制环都依赖前后环节，且必须满足实时处理要求，才能保证机器人动作流畅、平衡。

转矩环（也称电流环）是系统的核心。电流环直接调节电机转矩，在大多数情况下，其工作频率与功率级中的 FET 开关频率相同，约为8kHz～32kHz，其他所有控制环均工作在更低频率。TI 表示，电流环的速度直接影响电机的精度和响应时间。

人形机器人哪怕迈出一步，都需要多达 40 个电机关节协同控制，才能实现精准运动与良好平衡。哪怕一个关节动作出现延迟，平衡都可能被打破。TI 称，要同步全身所有电机并保持机器人整体稳定性，每个关节的电机控制器都必须实现高精度、快响应。

这些需求可通过提高控制环速度与 PWM 频率来满足。100kHz 量级的开关频率可实现更高分辨率的电机电流，对应更小的电流纹波与更精准的控制。高分辨率电流波形也意味着更接近理想正弦波，从而提升效率、减少发热。

虽然 DC-DC 转换器需要更高带宽，但电机控制算法主要基于平均电流工作，因此带宽要求相对宽松。

此外，提高 PWM 频率可缩小系统中的直流母线电容。更高频率降低了母线电容需求，使传统功率级中大型圆柱形电解电容可被更小的陶瓷电容替代。

电机内的功率 FET 会通过 PWM 信号周期性地从母线电容抽取电流。提高 PWM 频率时，单次抽取的电荷量减少，从而降低所需母线电容值。

TI 解释称，即便将 PWM 频率从 20kHz 提升到 80kHz，也可用同等容值的陶瓷电容替代电解电容，实现相近的母线电压纹波。

然而，向更高开关频率、更快电流环过渡也会带来新挑战。对于基于 MOSFET 的功率驱动器，仅单纯提高 PWM 开关频率会带来巨大额外损耗，导致过热。例如，TI 数据显示，将开关频率从 10kHz 小幅提升至 20kHz，整体损耗会增加20%～30%，这种低效率对电池供电的人形机器人而言十分不利。

图 10K和100KHzPWM调制电流示意

氮化镓改写人形机器人功率规则

GaN 凭借其独特的功率处理特性成为潜在解决方案，可在高频下实现更低的开关损耗。TI 表示，GaN 功率器件具有更小的栅极电容（Cg）和输出电容（COSS），开关速度可比硅基 MOSFET 快高达 100 倍。

凭借更快的开通与关断时间，GaN 功率器件可将死区时间控制在 10～20ns范围，而硅基 MOSFET 通常需要约 1μs 的较长死区时间。死区时间减小可降低开关损耗。

此外，GaN FET没有体二极管。在高频开关场景中，MOSFET 的体二极管会造成巨大的反向恢复损耗。通过消除体二极管，GaN 功率器件降低了通常由其引发的开关节点振铃和电磁干扰（EMI）风险。TI 称，这有助于避免噪声干扰塞进人形机器人内部的其他电子系统。

人形关节内部空间也极为有限。功率板通常是直径仅5～10cm的环形 PCB，以适配肘关节；手指关节的尺寸则更小。除功率电子器件外，关节还必须集成电机本身，且在很多情况下需要多个传感器，包括用于检测电机转子位置的传感器。许多设计中还会集成力传感器，以判断机器人抓取或提起物体的重量。

至关重要的是，工程师必须在有限空间内实现更高功率与更稳定的电机控制。GaN 在这方面优势明显：其单位面积导通电阻（RDS (on)）显著更低，与硅 MOSFET 相比可实现更小的芯片面积。TI 表示，通过将功率晶体管与栅极驱动器集成到小至 4.5×5.5mm的单一封装中，并集成保护功能，可进一步节省空间。

TI 称，将栅极驱动器与功率 FET 集成，可最小化栅极振铃，提升运行可靠性；这种集成还能减小功率环路电感，进一步降低 EMI 并提高效率。