评估优化用于仿人机器人精密运动的GaN基电机驱动设计

技术分享GaN技术杂谈 – Francesco Musumeci 2月 11, 2025

为什么类人机器人需要精密电机驱动

随着类人机器人在医疗、物流等行业的应用日益广泛，对精密电机控制的需求变得尤为重要，例如手腕和脚趾的关节运动。EPC91104 电机驱动逆变器参考设计专为紧凑型、高精度电机应用而优化。

EPC91104：专为类人机器人优化

EPC91104是一款专为类人机器人应用优化的三相BLDC电机驱动逆变器。其紧凑的尺寸（81 mm x 75 mm）及支持14 V至80 V的输入电压，使其成为手腕和脚趾电机驱动的理想选择。

EPC91104 – 14 A<sub>RMS</sub> 20 A峰值三相BLDC电机驱动逆变器 — EPC91104 – 14 A_RMS 20 A峰值三相BLDC电机驱动逆变器

采用EPC23104 ePower™ Stage IC，该解决方案提供：

宽电压范围：支持14 V至80 V工作电压，兼容多种电池系统
高电流处理能力：持续输出可达15 A_RMS，脉冲电流可达20 A_RMS，确保电机稳定运行
精密传感：配备高带宽（120 kHz）电流和电压传感器，精准控制与诊断
紧凑设计：适用于类人机器人手腕、手指和脚趾电机
先进保护功能：包括过流和输入欠压锁定，以保护电路板及系统，提高可靠性
多样化控制选项：兼容Microchip、德州仪器和意法半导体等主流控制器，简化集成

通过高度优化的PCB布局和低失真开关，EPC91104有效减少转矩波动和电机噪声，确保平稳安静的运行。

GaN技术在机器人领域的优势

精密运动对于类人机器人至关重要，尤其是在小型关节驱动中。EPC91104凭借 增强型氮化镓（eGaN®）技术，在效率、尺寸和开关速度方面超越传统硅基方案。

相较于硅基器件，GaN功率器件具备诸多优势：

更高效率：减少功耗损失，降低热量产生，延长使用寿命
更紧凑体积：更小的器件实现更紧凑的设计，适用于机器人应用
更快的开关速度：响应速度更快，实现更精确的电机控制，适用于机器人脚趾等需快速调整以维持平衡和流畅运动的应用

满足类人机器人市场日益增长的需求

受AI技术进步及自动化需求增长的推动，类人机器人市场正迎来爆发式增长。精准电机控制对于机器人执行类似人类的任务至关重要，如手腕旋转和脚趾关节运动。

EPC91104在需要高精度和小尺寸的电机驱动应用中表现卓越。例如，机器人脚趾需提供稳定性与动态运动，而手腕则需要灵活性与负载管理。EPC91104的低失真开关可降低电机噪声和转矩波动，实现平稳、安静的运行，特别适用于医院和办公场所等环境。

实验验证：卓越性能

EPC91104经过严格测试，以验证其在实际工况下的性能。在48 V_DC供电、100 kHz开关频率、50 ns死区时间及3 kW电机负载条件下，该电路板在自然对流条件下无需散热器即可稳定输出11 A_RMS相电流。加装散热器后，在自然对流条件下持续输出15 A_RMS，脉冲电流峰值可达26.5 A_RMS。

热管理增强可靠性

EPC91104的热设计支持可选散热器和热界面材料，确保在高负载下仍能稳定运行。在室温22°C、48 V_DC供电、自然对流条件下，该电路板无需散热器即可稳定输出11 A_RMS相电流，加装散热器后可稳定输出15 A_RMS，GaN IC芯片温升低于75°C。测试结果见图1。此外，在线热计算工具可帮助工程师模拟和优化其设计的热性能。