芝能智芯出品

人形機器人從概念走向現(xiàn)實的過程中，功率系統(tǒng)成為支撐其精細控制與高密度集成的核心瓶頸。以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體技術(shù)，正以其高頻低損、體積小、控制精度高的優(yōu)勢，在伺服控制系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)硅基器件。

尤其在人形機器人關(guān)鍵關(guān)節(jié)驅(qū)動、模塊集成以及整機能耗控制等方面，GaN展現(xiàn)出不可替代的價值，成為“功率神經(jīng)”的核心組成。

我們來解析GaN技術(shù)在機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動中的關(guān)鍵作用，以及相關(guān)設計實現(xiàn)的典型案例，呈現(xiàn)其如何為下一代類人智能體提供核心動能。

Part 1

 從伺服關(guān)節(jié)的需求出發(fā)：

GaN的性能優(yōu)勢如何匹配

人形機器人的技術(shù)痛點

人形機器人之所以具備類人的動態(tài)特性，依賴于分布于全身40個以上的伺服電機控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)承擔著類似人類肌肉與神經(jīng)的功能。尤其是在手指、脖頸、髖關(guān)節(jié)等精密運動部位，電機控制回路的響應速度與精度決定了整個機器人運動的自然度與穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的硅基MOSFET在高頻率下的開關(guān)損耗大，難以滿足空間緊湊、電源集中布置、高頻精控等多重要求。

GaN器件天然具有更高的開關(guān)速度與更小的輸入/輸出電容值。例如，在手指抓取玻璃杯這一動作中，電機需要在0.1秒內(nèi)完成從靜止到500rpm的加速過程，控制回路必須支持至少幾十kHz以上的PWM頻率。

在MOSFET中，這種高頻操作下熱損與EMI問題普遍，往往需更大體積的冷卻結(jié)構(gòu)輔助。而GaN器件可以在100kHz乃至更高頻率下實現(xiàn)穩(wěn)定運行，系統(tǒng)損耗較硅下降85%以上，同時不引入額外溫升。

除了頻率響應，GaN在尺寸壓縮方面優(yōu)勢同樣顯著。以直徑不到10厘米的關(guān)節(jié)腔體為例，若使用硅基器件，相關(guān)電機驅(qū)動器、傳感器、減速器、電源電容等模塊難以完整裝入。

而GaN通過小尺寸封裝、集成驅(qū)動器等手段，實現(xiàn)50%以上的面積縮減。以英諾賽科為例，其實際產(chǎn)品在關(guān)節(jié)驅(qū)動電路板上，通過GaN實現(xiàn)整板尺寸減少近半，并在效率維持前提下解決了空間布局問題。

控制方面，GaN器件具備更短的死區(qū)時間（僅10-20ns），相比MOSFET約1μs的時間，大幅度降低了電機電流波動，并且沒有反向恢復電流（Qrr），避免了傳統(tǒng)體二極管的EMI干擾。這些特性使得多電機協(xié)同控制時的穩(wěn)定性顯著提升。

在標準電路設計中，如TI的TIDA-010936平臺測試顯示，PWM頻率從20kHz提升到80kHz后，GaN平臺可用全陶瓷電容替代傳統(tǒng)電解電容，在提升可靠性的同時，大幅縮減了直流母線部分體積，這對高速、高震動環(huán)境下的人形機器人尤其關(guān)鍵。

在三相驅(qū)動應用中，TI的LMG2100系列芯片提供一個代表性解決方案：其將高壓半橋GaN FET與驅(qū)動器集成封裝，在4.5×5.5mm的尺寸內(nèi)提供最高55A電流支持，同時集成短路保護、欠壓保護等功能。

基于此類平臺構(gòu)建的伺服驅(qū)動器，不僅電路簡化、布板緊湊，還因寄生電感大幅降低而增強抗干擾性能，顯著適配機器人極限尺寸與高密度設計需求。

由此可見，從響應速度、控制精度、空間集成到能耗管理，GaN器件均對人形機器人提供了跨代技術(shù)支撐。

GaN FET技術(shù)之所以在人形機器人中獲得優(yōu)先采用，關(guān)鍵在于其在高頻開關(guān)、低損耗、小型封裝和高功率密度等方面全面滿足了伺服控制系統(tǒng)的需求。尤其是在復雜多自由度電機布局下，GaN成為打通機器人控制精度與體積受限矛盾的關(guān)鍵一環(huán)。

Part 2

GaN應用案例剖析：

EPC91118的實際集成設計

在人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈中，上海智元的選擇為GaN的產(chǎn)業(yè)化應用打開了實質(zhì)通路。其在人形機器人中選用英諾賽科GaN芯片，并首先部署于脖頸、手肘等關(guān)鍵關(guān)節(jié)，單電機內(nèi)嵌三顆GaN器件，帶動整個整機的模塊化應用。

這一實踐標志著GaN在從消費電子向工業(yè)級系統(tǒng)過渡過程中實現(xiàn)從樣品驗證走向大規(guī)模交付。

另一例子是EPC推出的EPC91118參考設計。該平臺基于EPC23104單片集成GaN器件，專為人形機器人關(guān)節(jié)開發(fā)，尺寸控制在直徑55mm內(nèi)，輸出支持最高15A RMS電流，并運行于100kHz高頻PWM模式，死區(qū)時間低至50ns。

電機控制板集成了三相GaN逆變器、磁編碼器、電流檢測、微控制器、RS485通信和多種電源模塊。

其最大的工程價值在于三點：

◎ 第一，集成度極高�？刂葡到y(tǒng)、驅(qū)動電路、電源管理和反饋通道全部封裝在一個緊湊的圓形PCB中，極大簡化系統(tǒng)設計復雜度；

◎ 第二，結(jié)構(gòu)適配性強。模塊可直接安裝在人形關(guān)節(jié)腔體內(nèi)，無需額外傳動或配線，顯著優(yōu)化關(guān)節(jié)體積利用率；

◎ 第三，效率提升顯著。在50至150rpm轉(zhuǎn)子速度下實測，系統(tǒng)效率在不同負載扭矩下均維持穩(wěn)定，這在高速響應與低功耗雙重約束下具有現(xiàn)實工程意義。

在開發(fā)與測試階段，EPC91118通過標準RS485總線實現(xiàn)通信，并支持JTAG調(diào)試，大大便利工程師調(diào)試流程。

同時，使用MLCC替代電解電容的設計理念，不僅縮減體積，也為系統(tǒng)帶來更高可靠性，符合機器人對壽命與穩(wěn)定性的雙重要求。

從整機角度看，這類GaN參考設計不僅解決了單一器件替代問題，更代表了一種新型運動控制平臺的實現(xiàn)方式。GaN不再只是一個單一的性能提升選項，而成為機器人電驅(qū)系統(tǒng)設計邏輯的一部分。

小結(jié)

人形機器人的商業(yè)化邊界逐漸明晰，控制精度、能源效率與空間集成度成為其落地應用的技術(shù)“卡脖子”點。GaN技術(shù)的出現(xiàn)，實質(zhì)上為這一系列核心難題提供了具備系統(tǒng)性突破可能的底層解決方案。

它不僅是更小、更快、更省電的替代材料，更是在尺寸受限、控制精度要求極高的伺服場景中，GaN與人形機器人之間的共進將構(gòu)成一個正向循環(huán)：機器人對能效與集成的需求越高，GaN的滲透率越強；而GaN在成本、工藝、可靠性方面持續(xù)進化，又將反過來催化機器人設計形態(tài)的革新。

       原文標題 : GaN技術(shù)如何應用到人形機器人執(zhí)行關(guān)節(jié)？