适用于类人机器人关节的紧凑型三相 GaN 逆变器板
技术分享GaN技术杂谈 – Federico Unnia
11月 20, 2025
为新一代机器人打造的嵌入式电源
随着类人机器人不断演进，以精确与敏捷复制人类动作，对紧凑、高效、响应快速的电机驱动的需求也持续上升。EPC91120 参考设计展示了 GaN 集成如何使逆变器电子设备能够直接嵌入机器人关节内部——减轻重量、提高效率并增强运动控制。
设计概述：32 mm 逆变器中的高功率密度
EPC91120 是一款 三相 BLDC 电机驱动逆变器，集成了三颗 EPC23102 ePower™ 功率级 IC——单片 GaN 半桥器件，具备 5.2 mΩ RDS(on) 和 100 V 电压能力。逆变器可提供 峰值 21 A（稳态 15 ARMS） 和 峰值 42 A（脉冲 30 ARMS），工作电压范围为 15 V 至 65 V DC。方框图见图 1。
完整的集成控制级包括：
- 微控制器（STM32G431CBU6），支持 JTAG 编程与 RS485 通信
- 板载辅助电源（5 V 与 3.3 V）
- 电流与电压感测电路，用于精确控制
- 1024 脉冲磁编码器，带 SPI 接口，用于转子位置回授
图 1：EPC91120 评估板的方框图概览
机械整合：专为机器人关节设计
EPC91120 完整置入 32 mm 直径的内部圆区，并安装于 55 mm 机械框架中，可整合入类人机器人关节，例如 Unitree A1 电机（见图 2）。
图 2：安装在机器人电机内部的 EPC91120
这种外形使逆变器能够直接置于定子外壳中，利用电机机壳作为散热器以提升散热性能。
该板以 100 kHz PWM 频率 和仅 50 ns 死区时间 运作，支持平滑的扭矩控制并降低噪音——非常适合类人机器人肢体和其他精密运动系统。
性能验证：高效率与高敏捷性
热性能
在 48 V DC 和 100 kHz PWM 条件下测试时，EPC91120 可维持：
- 每相 7 ARMS（自然对流，无散热器）
- 每相 15 ARMS（电机机壳作为散热器）
结到环境的温升保持在 40 °C 以下，证实其在紧凑关节整合中的优异热表现。
脉冲扭矩效率
在 24 V DC 和 100 kHz PWM 条件下进行的动态负载测试表明：
- 系统效率超过 80%，从 DC 输入到机械输出测量
- 扭矩最高可达 26.5 N·m，转速为 92 rpm
- 峰值电流 30 ARMS（扭矩脉冲）
这些结果验证了该设计作为类人关节与轻量机器人肢体的高性能、可靠逆变器解决方案。
类人机器人之外的应用
尽管针对类人机器人关节优化，EPC91120 架构也非常适用于：
- 无人机推进系统
- 协作机器人（cobot）执行器
- 高扭矩外骨骼
- 紧凑型自动化伺服驱动
GaN 的高效率与小尺寸使其能用于每克重量、每毫瓦功耗都很关键的下一代设计。
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