評估基於 GaN 的馬達驅動設計，以優化人形機器人的精密運動

技術分享雜談GaN技術 – Francesco Musumeci 二月 11, 2025

為何仿人機器人需要精密馬達驅動

隨著仿人機器人在醫療保健、物流等行業中變得不可或缺，對於精細運動（如手腕與腳趾關節運動）的精確馬達控制至關重要。EPC91104 馬達驅動逆變器參考設計專為緊湊型、高精度馬達應用而打造。

EPC91104：為仿人機器人優化

EPC91104是一款專為仿人機器人應用優化的三相BLDC馬達驅動逆變器。其緊湊尺寸（81 mm x 75 mm）與14 V至80 V的輸入電壓範圍，使其在手腕與腳趾馬達驅動中展現卓越性能。

EPC91104 – 14 A<sub>RMS</sub> 20 A 峰值三相BLDC馬達驅動逆變器板 — EPC91104 – 14 A_RMS 20 A 峰值三相BLDC馬達驅動逆變器板

此解決方案採用EPC23104 ePower™ Stage IC，並提供：

寬廣電壓範圍：運行電壓範圍14 V至80 V，適用於各種電池系統
高電流處理能力：穩態電流可達15 A_RMS，脈衝電流可達20 A_RMS，確保強勁的馬達運行
精確感測：搭載120 kHz高頻寬電流與電壓感測功能，確保精準控制與診斷
緊湊設計：特別適用於仿人機器人的手腕、手指與腳趾馬達
先進保護功能：包含過流保護與輸入欠壓鎖定，以保護電路板與連接系統，提高可靠性
多元控制選項：兼容Microchip、Texas Instruments與STMicroelectronics等主要控制器，簡化整合

EPC91104通過高度優化的PCB佈局與低失真切換技術，有效降低轉矩波動與馬達噪音，確保運行平穩且安靜。

GaN技術在機器人應用中的優勢

精密運動對於仿人機器人至關重要，特別是在小型關節的驅動應用中。EPC91104採用 增強型氮化鎵（eGaN®）技術，在效率、尺寸與切換速度方面遠超傳統的矽基解決方案。

與矽基器件相比，GaN功率元件具備以下優勢：

更高效率：降低功率損耗，減少熱量產生，延長運行壽命
更小體積：緊湊型設計有助於機器人整體結構更輕巧
更快切換速度：更快的響應時間實現精確馬達控制，對於機器人腳趾等應用尤為重要，以維持平衡與流暢運動

滿足仿人機器人市場的增長需求

受人工智慧發展與老齡化社會自動化需求增加的推動，仿人機器人市場預計將快速增長。對於手腕旋轉與腳趾關節運動等細膩動作的精準馬達控制，對於機器人執行擬人化任務至關重要。

EPC91104在需要高精度與小型化的馬達驅動應用中表現卓越。例如，機器人腳趾必須提供穩定性與動態運動，而手腕則需具備靈活性與負載管理能力。EPC91104的低失真切換技術降低馬達音頻排放與轉矩波動，確保運行流暢且安靜，特別適合醫院或辦公環境等應用場景。

實驗驗證：經過測試的優越性能

EPC91104經過嚴格測試，以驗證其在實際條件下的性能。使用48 V_DC電源，100 kHz切換頻率，50 ns死區時間，驅動3 kW馬達時，該電路板在自然對流下無散熱器的條件下輸出11 A_RMS穩態相電流。安裝散熱器並保持自然對流後，該板可輸出15 A_RMS穩態，並可達26.5 A_RMS脈衝電流。

熱管理提升可靠性

EPC91104的熱管理設計，配合可選擇的散熱器與導熱介面材料，確保高負載條件下的可靠運行。在環境溫度22°C、48 V_DC電源與自然對流條件下，EPC91104無散熱器時可提供每相11 A_RMS電流，安裝散熱器後可達15 A_RMS，GaN IC的外殼溫度上升至環境溫度的幅度低於75°C。測試結果如圖1所示。此外，線上提供熱計算工具，幫助工程師模擬並優化其設計的熱性能。