人型ロボットの精密動作向けに最適化したGaNベースのモーター駆動回路設計の評価

GaNの話 – Francesco Musumeci 2 11, 2025

なぜ人型ロボットには高精度のモーター駆動が必要なのか

人型ロボットは、医療や物流などの各業界で不可欠な道具になっています。手首やつま先の関節などの精密な動きを実現するためには、高精度なモーター制御が重要です。モーター駆動用インバータのリファレンス・デザインEPC91104は、小型で高精度なモーター用途向けに設計されています。

EPC91104: 人型ロボット向けに最適化

EPC91104は、人型ロボット用途向けに最適化した3相BLDCモーター駆動用インバータです。面積（81 × 75 mm）と小型で、14 V～80 Vの入力電圧範囲に対応する能力を備えており、手首やつま先のモーター駆動において、比類なき性能を提供します。

EPC91104 – 14 A<sub>RMS</sub> 20 Aピーク 3相BLDCモータードライブインバーターボード — EPC91104 : 14 A_RMS、20 A peakの3相BLDCモーター駆動用インバータ基板

ePower™ Stage ICのEPC23104を搭載したこのソリューションは、以下の特徴があります

広い電圧範囲: 動作範囲は14 V～80 Vで、さまざまなバッテリー・システムと互換性
大電流処理: 最大15 A_RMSの定常電流と最大20 A_RMSのパルス電流を供給し、丈夫なモーター動作を実現
精密な検出: 高い帯域幅（120 kHz）の電流と電圧の検出を搭載し、正確な制御と診断が可能
小型な設計: 人型ロボットの手首、指、つま先の各モーターに最適
高度な保護機能: 過電流や入力の低電圧ロックアウトの保護を備え、基板や、接続したシステムの信頼性を強化
汎用の制御オプション: 米マイクロチップ・テクノロジー、米テキサス・インスツルメンツ、スイスのSTマイクロエレクトロニクスの主なコントローラと互換性があり、統合が容易

最適化したプリント回路基板のレイアウトと低歪みスイッチングを組み合わせることで、EPC91104は、トルク・リップルとモーター雑音を低減し、スムーズで静かな動作を実現します。

ロボットに対するGaN技術の利点

精密な動作は、特に小さな関節駆動において、人型ロボットにとって極めて重要です。EPC91104は、 エンハンスメント・モード窒化ガリウム（eGaN®） 技術を活用し、効率、サイズ、スイッチング速度で、従来のシリコン・ベースのソリューションを上回ります。

GaNパワー・デバイスは、シリコン・ベースの同等のデバイスと比べて、以下の利点があります

高効率: 電力損失を低減することで、発熱を抑え、寿命を延長
小型: 小型なデバイスなので、ロボットの重要な要素である設計の小型化が可能
高速スイッチング: 応答時間が短いので、バランスと滑らかな動きを維持するために素早い調整が必要なつま先などの用途で重要な精密なモーター動作が可能

人型ロボット市場の増大する要求に対応

AI（人口知能）の進化と、高齢化社会における自動化への需要の高まりに牽引されて、人型ロボット市場は、指数関数的に急成長すると見られています。手首の回転やつま先の関節などの複雑な動作のための精密なモーター制御が、これらのロボットが人間のような作業を効果的に実行するために必須です。

EPC91104は、小型、高精度が最も重要なモーター駆動用途に最適です。例えば、ロボットのつま先は、安定性と動的な動きを提供する必要があり、手首には、器用さと負荷管理が求められます。EPC91104の低歪みスイッチングは、モーターの音響雑音やトルク・リップルを低減し、病院やオフィスなどの環境でロボットが稼働するために重要なスムーズで静かな動作を確実にします。

実験的検証：実証された性能

EPC91104は、実際の条件下での厳密な試験をクリアしています。48 V_DCの電源を使用し、100 kHzでスイッチング（デッドタイム50 ns）、 3 kWモーターを駆動した際、ヒートシンクなしの自然対流で11 A_RMS の定常相電流を供給しました。ヒートシンクを装着し自然対流の状態では、15 A_RMS の定常電流および26.5 A_RMSのパルス電流を供給しました。

信頼性向上のための熱管理

EPC91104の熱設計は、オプションのヒートシンクや熱伝導材料を活用することで、負荷が大きいときでさえも、信頼性の高い動作を実現できます。周囲温度22℃、直流48 V電源、自然対流のモーター・ベンチで動作したとき、EPC91104は、1相当たりヒートシンクなしで11 ARMS、ヒートシンク付きで15 ARMSを供給し、 GaN ICのパッケージから周囲までの温度上昇を75℃以下に抑えることができます。この試験の結果が図１です。さらに、技術者が、特定の設計の熱特性をシミュレーションし最適化できる熱計算ツールがオンラインで提供されています。