適用於類人機器人關節的緊湊型三相 GaN 逆變器板
技術分享雜談GaN技術 – Federico Unnia
十一月 20, 2025
為新一代機器人打造的嵌入式電源
隨著類人機器人持續演進，以精準與敏捷重現人類動作，對緊湊、高效率且反應快速的馬達驅動需求也不斷提升。EPC91120 參考設計展示了 GaN 整合如何使逆變器電子裝置能直接嵌入機器人關節內部——減輕重量、提升效率並增強動作控制。
設計概述：32 mm 逆變器中的高功率密度
EPC91120 是一款 三相 BLDC 馬達驅動逆變器，整合三顆 EPC23102 ePower™ 功率級 IC——單晶 GaN 半橋元件，具備 5.2 mΩ RDS(on) 與 100 V 電壓能力。逆變器可輸出 峰值 21 A（穩態 15 ARMS） 以及 峰值 42 A（脈衝 30 ARMS），工作電壓範圍為 15 V 至 65 V DC。方塊圖見圖 1。
完整的整合控制級包括：
- 微控制器（STM32G431CBU6），支援 JTAG 程式下載與 RS485 通訊
- 板上輔助電源（5 V 與 3.3 V）
- 電流與電壓感測電路，用於精準控制
- 1024 脈衝磁編碼器，搭配 SPI 介面，用於轉子位置回饋
圖 1：EPC91120 評估板的方塊圖概覽
機械整合：為機器人關節而生
EPC91120 完整置入 32 mm 直徑的內部圓區，並安裝於 55 mm 機械框架中，可整合至類人機器人關節，例如 Unitree A1 馬達（見圖 2）。
圖 2：安裝在機器人馬達內部的 EPC91120
此外形讓逆變器可直接置於定子外殼，利用馬達機殼作為散熱器以提升熱性能。
此板以 100 kHz PWM 頻率 且僅 50 ns 死區時間 運作，支援平滑扭矩控制並降低噪音——非常適合類人機器人肢體及其他精密運動系統。
性能驗證：效率與敏捷兼具
熱性能
在 48 V DC 與 100 kHz PWM 條件下測試時，EPC91120 可維持：
- 每相 7 ARMS（自然對流，無散熱器）
- 每相 15 ARMS（以馬達機殼作為散熱器）
殼體至環境的溫升維持在 40 °C 以下，證實其非常適合緊湊關節整合的熱性能。
脈衝扭矩效率
在 24 V DC 與 100 kHz PWM 條件下進行的動態負載測試顯示：
- 系統效率超過 80%，由 DC 輸入到機械輸出量測
- 扭矩最高可達 26.5 N·m，轉速為 92 rpm
- 脈衝期間峰值電流 30 ARMS
這些結果驗證了此設計是類人關節與輕量化機器人肢體的高效能、可靠逆變器方案。
類人機器人以外的應用
雖然針對類人機器人關節最佳化，EPC91120 架構也非常適合：
- 無人機推進系統
- 協作型機器人（cobot）致動器
- 高扭矩外骨骼
- 緊湊型自動化伺服驅動
GaN 的高效率與小型化特性使其成為每克重量、每毫瓦功耗都十分關鍵之次世代設計的理想選擇。
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