人形机器人旨在模拟人类的运动方式，正在多个应用领域迎来强劲的市场增长。电机控制是机器人设计中的关键环节。本文将概述人形机器人的基础电源架构及其核心电力电子器件所需满足的要求，并结合来自 Efficient Power Conversion Corporation(EPC) 的解决方案进行说明。

人形机器人应用与市场增长

曾经只存在于科幻作品中的人形机器人，如今正逐步成为多个行业自动化的可行方案。根据 Goldman Sachs 的研究数据，2025 年全球人形机器人出货量约为 1.5 万至 2 万台，预计未来十年复合年增长率(CAGR)将超过 40%。

这一增长主要得益于以下因素：

· 运动控制技术的持续提升，设计迭代周期缩短至一年以内

· AI 自训练软件的应用

· 供应链选择增多带来的成本下降

目前，人形机器人主要应用于工业自动化、仓储物流、家庭辅助、医疗健康以及农业等领域。

人形机器人电源架构

图 1 展示了人形机器人电源架构的简化框图。电池通常采用安全特低电压(SELV)，一般低于 60 V。

图1

48 V 母线电压是较为常见的选择，这是在保证安全的前提下，可有效降低功率损耗并减轻整机重量的最高电压等级。系统中需要 DC/DC 转换器为栅极驱动器、伺服系统、传感器及控制器提供所需电压。电池管理系统(BMS)负责电芯监测与安全保护。

部分人形机器人已具备自动充电或自主换电能力，可有效减少停机时间，提高运行效率。

逆变器为电机提供交流电源。栅极驱动器、逆变器、电机及电机控制器构成一个高度耦合的系统，可通过协同优化实现最佳性能。系统通常采用永磁同步电机(PMSM)，以获得更平稳、精准的运动表现。

由于驱动电路体积小，可实现电机、驱动及检测电路的一体化集成(如图 1 所示)，从而减少线缆损耗和寄生电感，提升动态响应能力。不同关节部位对功率的需求也存在明显差异：

· 手腕 / 手部：功率需求通常在 10 W～100 W。

自由度(DOF)决定可实现的运动类型。人类手部 DOF 约为 27，而多数商用人形机器人手部约为 6。先进的人形机器人手臂正在不断发展，例如 Tesla 的 Optimus 机器人，其手臂据称拥有 25 个 DOF。高 DOF 机器人需要大量电机，因此电机及驱动电路的小型化至关重要。通过提高逆变器开关频率，可降低转矩脉动，实现更高的运动精度。

· 脚踝 / 颈部 / 肩部：功率需求约为 100 W～300 W，对体积要求相对宽松。

· 肘部：功率需求在 1 kW～2 kW，热性能与安全性尤为关键。

· 膝盖 / 髋部 / 髋关节中心：功率需求最高，约 2.5 kW～5 kW。需要兼顾高功率、高效率、良好散热及功能安全。快速开关有助于提升系统转矩并降低电流纹波。

总体而言，为了安全，人形机器人外表面温度通常需控制在 55 ℃ 以下。由于除少数高端系统外一般无法采用主动散热，因此在满载条件下逆变器器件的温升成为重要的设计考量因素。

GaN HEMT 在人形机器人电机逆变器中的优势

与硅 mosfet 相比，GaN HEMT 在人形机器人电机驱动应用中具有显著优势：

· 开关速度快：GaN 器件的开关速度可提升 10 倍以上，使电机可在更高频率下运行，从而减少绕组和铁芯损耗，提高整体系统效率。

· 转矩更平滑：高开关频率可降低转矩脉动，提高转矩控制带宽，实现更平稳、精准的运动控制。

· 高功率密度：GaN 优异的性能指标(FoM)支持更小的器件尺寸，有利于空间受限的人形机器人实现电机驱动一体化设计。

· 无反向恢复电荷：增强型(e-mode)GaN 器件不存在反向恢复电荷(QRR)，可降低能量损耗并缩短死区时间，从而实现更高的每安培转矩和更安静的系统运行。

· 被动散热可行：在高频、低损耗条件下，GaN 可有效降低电机温升，使被动散热成为可行方案。

· 电容体积更小：高频工作可去除体积庞大的电解电容，转而使用更小、更可靠的陶瓷电容。

· 续航能力提升：更高效率和更轻、更小的系统有助于延长机器人电池使用时间。

面向人形机器人的 GaN 解决方案

EPC 提供基于增强型 GaN 的分立器件及集成电路，拥有覆盖人形机器人电机驱动需求的完整解决方案。以下介绍其中的两个示例。

手腕 / 肘部 / 脚踝关节驱动

这些关节对速度、精度及小型化要求极高。高 PWM 频率(>100 kHz)与极低死区时间是关键优势。

EPC91122 参考设计是一款三相 PMSM 电机驱动逆变器，采用环形电路板设计，外径 55 mm，内层逆变板直径 32 mm(如图 2 所示)，便于集成到人形机器人关节中，例如 Unitree A1 的电机系统。

图2

该结构允许逆变器直接安装在定子壳体内，利用电机外壳作为散热器，显著改善热性能。EPC91122 集成了完整电机驱动所需的功能，包括稳压电源、直流电压检测、带 30 A 过流保护信号的电流传感 IC，以及用于转子位置和速度控制的板载磁编码器。

该方案采用 EPC33110 ePower Stage IC，内部集成三组 GaN 半桥、栅极驱动器、自举电路及电平转换器，额定电压 100 V，典型导通电阻 RDS(on) 为 8.7 mΩ，采用 6 × 6.5 mm QFN 封装，支持六路互补 PWM 信号及快速低电平关断。

单一 5 V 电源即可支持模块在最高 80 V 下运行。EPC33110 每相额定电流为 15 ARMS 峰值、10 ARMS 连续。测功机测试显示，在 2 秒脉冲条件下可达 20 ARMS，对应 1 Nm/ARMS 电机时可输出 20 Nm 转矩。测试还表明，在自然对流散热、100 kHz PWM、25 ns 死区时间条件下，连续输出 13 ARMS 时器件温升仍可控制在 50 ℃ 以下(见图 3)，其顶部散热封装在热性能方面表现尤为突出。

图3

髋部 / 膝部 / 肩部关节

这些高转矩关节在低速下需要超过 100 Nm 的峰值转矩，对高相电流、低 RDS(on) 以及高速高效开关提出了更高要求。通常需要并联多颗功率器件以满足电流需求。

EPC9186HC2 是一款 100 ARMS 的三相 PMSM 电机驱动逆变器参考设计。该方案在每个开关位置并联两颗 EPC2361 GaN FET，最大输出电流可达 200 Apk。EPC2361 是一款 100 V、最大 RDS(on) 仅 0.75 mΩ 的增强型 GaN 器件，采用 3 × 5 mm QFN 顶部散热封装，结到壳体顶部的热阻仅为 0.2 ℃/W，具备优异的散热性能。

GaN 在人形机器人中的前景

在接受 Power Electronics News 独家采访时，EPC 首席执行官 Alex Lidow 表示：

“在人形机器人中，电机驱动是最关键的功率级之一，而这正是 GaN 展现明显优势的地方。机器人本质上是由大量精密电机组成的系统，GaN 使这些驱动器能够在超过 100 kHz 的开关频率下工作，远高于传统 MOSFET 方案。在这样的频率下，设计人员可以去除笨重的电解电容，大幅缩小体积和重量。最终带来的是更平滑的运动、更高的效率、更好的可靠性以及更长的使用寿命。这一组合使 GaN 成为下一代机器人执行器的理想选择。”