深入關節內部：GaN 集成電路如何實現超緊湊的人形機器人馬達驅動器
技術分享雜談GaN技術 – Federico Unnia
八月 05, 2025
人形機器人的未來依賴於緊湊、高效且可靠的運動控制。每一克重量、每一毫米空間、每一毫瓦功耗都至關重要。這就是 EPC 開發 EPC91118 的原因：一款專為整合於人形機器人關節內部而設計的三相無刷直流馬達驅動參考設計——採用單晶片 GaN IC，實現無與倫比的功率密度與開關效能。
為什麼是人形機器人？
人形機器人正從研究實驗室走向商業應用。它們類似人類的外形使其能在為人類設計的環境中自然互動——如倉庫、工廠、辦公室，甚至家庭——非常適合執行需要靈巧性、移動性與人機互動的任務。
推動發展的關鍵應用場景：
- 物流與倉儲自動化：步行機器人可在輪式 AGV 無法通行的樓梯或崎嶇地形中搬運物品。
- 客戶服務與飯店接待：語音啟用的人形機器人可執行櫃檯服務、導覽解說或零售結帳。
- 醫療照護：協助病患行動、監測，甚至提供陪伴。
- 災難應變：在危險或坍塌區域中導航作業，減少人員風險。
為了在這些角色中有效運作，人形機器人需要精準、反應靈敏且體積緊湊的馬達控制系統——特別是在關節處。馬達必須輕巧、高扭矩，且能輕鬆整合於有限空間中。這使得像 EPC91118 這樣的 GaN 基礎逆變器成為關鍵技術。
EPC91118：整合於 32 mm 電路板的完整運動控制系統
EPC91118 的核心是 EPC23104 ePower™ Stage IC——一款 100 V GaN 單晶片器件，內建閘極驅動器與電平轉換電路。三顆此 IC 組成高效率的三相逆變器，具備以下能力：
- 每相最高 15 ARMS 脈衝電流（持續 10 ARMS）
- 100 kHz PWM 頻率，死區時間為 50 ns
- 15–55 V 輸入電壓範圍
EPC91118 將所有關鍵馬達控制功能整合在一塊可安裝於 32 mm 直徑關節外殼的圓形電路板上：
- 轉子軸磁編碼器，解析度為 1024 脈衝，並支援 SPI 通訊
- 兩相電流感測，使用 44 mV/A 霍爾效應感測器，具備過電流檢測功能
- 電壓感測，增益為 44.89 mV/V
- STM32G431 微控制器
- RS485 通訊介面
- 5 V 與 3.3 V 電源軌
- 全陶瓷電容 DC 連結（無電解電容）
圖 1：EPC91118 上視與下視圖
為什麼 GaN IC 在機器人中很重要
傳統以矽 MOSFET 為基礎的機器人關節逆變器需要較長的開關死區時間、笨重的電解電容與離散式驅動電路，限制了小型化的可能性，尤其是在膝蓋、手腕或腳踝等空間狹小的機構中。
EPC91118 解決了這些挑戰：
- GaN 單晶片整合可減少元件數量、優化佈局並縮小尺寸
- 高開關頻率（100 kHz）使得可用 MLCC 取代電解電容，降低板厚
- 低 RDS(on)（典型值 8.7 mΩ）與快速開關可減少損耗，提高散熱效率與每瓦扭矩輸出
與同等矽基方案相比，EPC91118 可實現：
- 逆變器面積縮小 66%
- 完全無電解電容
- 更高的馬達控制頻寬
專為人形機器人（與無人機）打造
此參考設計針對人形機器人關節與小型無人機推進系統中使用的馬達進行最佳化，這些應用對緊湊、輕量且可靠的電力電子設備有極高要求。其形狀與佈局特別為人形機器人整合而設計，並具備可適配的安裝選項，適用於相似平台。
RS485 介面確保相容於常見的機器人通訊匯流排，而JTAG 接頭則支援即時韌體除錯與基於圖形介面的馬達控制設置。
圖 2：EPC91118 評估板方塊圖概覽
評估與快速上手
EPC91118 出廠預設以 50 rpm 操作典型關節馬達，透過 JTAG 或 RS485 可輕鬆重新配置韌體。系統層級效率測試顯示其在不同速度與扭矩條件下皆有穩定表現，證實其適用於動態機器人應用。
作為實驗性評估，EPC91118 板卡在動力測試台上於不同負載扭矩與轉子轉速條件下進行測試。逆變器以 100 kHz PWM、50 ns 死區時間運行。
下圖顯示從直流電輸入到機械輸出功率的總系統效率，轉子轉速範圍為 50 rpm 至 150 rpm。此系統效率包括逆變器效率與馬達效率。
圖 3：不同轉子速度下的系統效率與負載扭矩對應關係
結論
EPC91118 不只是馬達驅動器——它是一個用於嵌入式運動控制的平台，在尺寸、效率與整合性最為關鍵的應用中發揮極致。由 GaN 提供動力，它為機器人設計者提供創新的工具，推動次世代人形機器人與自主機器的機電整合與行動力極限。
技術支援與資源
Tags: