工业机器人为何要采用GaN FET？

行家说消息 

工业机器人和协作机器人（cobots）需要高功率密度和出色的散热特性。随着各种机器人系统从集中式架构向分散式（分布式）架构转变，需要一种非常高效且超紧凑的 IC，允许将电机驱动器安装在机器人手臂内。

使用集成的电机驱动器，驱动器和电机可以作为一个单元存储，节省空间。此外，您无需在机器人机柜和机械手之间铺设长而昂贵的电缆，即可将电机连接到驱动器。

虽然集成驱动器和电机有很多优势，但热设计提出了一项重要挑战。驱动器的每个部分都暴露在较高的环境温度下并且冷却有限。结果，在这些温度下提供额定功率变得更加困难。这种情况对驱动器的逆变器施加了严格的功率损耗限制，需要低损耗的高效驱动器。

两种类型的驱动器可以帮助解决这些挑战。第一种选择是使用基于传统 IGBT（绝缘栅双极晶体管）的逆变器驱动。但由于二极管的反向恢复损耗，一般IGBT的损耗较大，不易与电机集成。开关损耗意味着散热器需要更大并且液体需要冷却，这使得与电机集成几乎是不可能的。 

第二个更好的选择是使用 GaN FET（氮化镓场效应晶体管）。TI 的产品系列由各种具有内置栅极驱动器的 GaN FET 和各种 GaN 功率器件组成，有助于在其整个生命周期内提供可靠且经济高效的解决方案。GaN 晶体管的开关速度比硅 MOSFET（场效应晶体管）快得多，因此减少开关损耗的机会更大，因此散热更少。采用 GaN 晶体管还可以降低散热器、风扇及其组件等组件的系统成本和尺寸。如果空间有限，例如机器人手臂，这一点尤其重要。

添加 GaN 功率器件也带来了集成挑战。但是，您可以通过选择将 GaN FET 与内部硅栅极驱动器和保护相结合的产品来简化此任务。“ LMG3422R030 ”就是一个例子。LMG3422R030专为具有高功率密度的工业机器人和电机驱动系统而设计，可调节用于EMI（电磁干扰）控制，具有栅极驱动强度和过热/过流保护等功能，并具有故障通知功能。

机器人控制器还具有数量灵活的模拟 I/O 模块，具有隔离的电源和信号路径。随着通道数量的增加和封装变得更小，现有的隔离式开关拓扑需要改进。

即使在反激式稳压器等传统设计中，添加同步整流也可以提高效率。

虽然可以实现远高于 90% 的效率，但与传统的反激式设计相比，使用同步整流会增加复杂性和成本。同步整流通常需要变压器次级侧的同步整流控制器和初级侧反激控制器的光耦合器反馈。

在这种情况下，像LM25184这样的反激式转换器可能是解决方案。该产品使用初级侧调节 (PSR)，不需要光耦合器或辅助变压器绕组用于反馈应用。LM25184 可在宽负载范围内实现 90% 的效率，并采用增强散热、超薄、4mm x 4mm 小外形无引线 (SON) 封装。承受 42V 的最大输入电压，有足够的余量来处理标准 24V 工业总线上发生的瞬变。

处理工厂自动化应用中的电源问题是一项复杂的任务。某些应用需要产品要求，例如在繁忙的工厂环境中正常运行、存储在可用空间中、符合 EMI 要求以及对人和机器的防护。