人形機器人整合了許多子系統，其中包括伺服控制系統，電池管理系統(BMS)，感測器系統，AI系統控制等。將這些系統整合至人員體積中，同時維持複雜系統的平穩運作，要符合尺寸與散熱需求是極富挑戰性的。人形機器人中空間最受限的子系統是伺服控制系統。為了達到與人類類似的運動範圍，機器人中通常部署了約40部伺服馬達(PMSM)和控制系統。馬達分布在身體的不同部位，例如頸部、軀幹、手臂、腿部、腳趾等。此編號不包括手中的電機。若要模擬人的手自由度，一隻手即可整合十幾個以上的微馬達。這些馬達的功率需求視執行的特定功能而定；例如，驅動機器人手指的馬達可能只需要幾安培，而驅動髖部或腿部的馬達則需要100安培以上。
與傳統伺服系統相比，人形機器人的伺服系統具有更高的控制精度、尺寸和散熱要求。本文說明GaN(氮化鎵)技術在馬達驅動中的各種優勢，並展示GaN如何協助解決人形機器人伺服系統所面臨的挑戰。
在伺服馬達驅動應用中，馬達控制通常可分為幾個控制迴路層：電流/扭力迴路、速度迴路、位置迴路及更高階的動作控制迴路。這些迴路通常以串接方式配置，每個都有自己的「即時」處理需求。電流或扭力迴路是最快的控制迴路。每個上游迴路在該迴路前會有多個迴路運作，並提供輸入參考至下游迴路。控制迴路最重要的部分是電流迴路。FET切換頻率通常與電流迴路相同，約為8kHz至32kHz。電流迴路的速度會直接影響馬達控制的準確度和回應速度。人形機器人的簡單動作包含控制許多伺服馬達。為了在機器人體中協調將近40個馬達，同時維持系統穩定性，每個接頭的控制精度和反應速度必須符合非常高的要求。提高馬達控制迴路速度和PWM頻率，即可滿足這些需求。例如， 100kHz的切換頻率可以實現更高的解析度電機電流，對應較小的電機電流漣波和更精確的控制。高解析度馬達電流波形也代表正弦波電流更佳，可提升馬達的運作效率並減少馬達加熱。
此外，提高PWM切換頻率可減少DC匯流排電容器尺寸和電容。以陶瓷電容器取代電解電容器的匯流排電容需較低。伺服功率級FET會定期利用PWM訊號從匯流排電容器汲取電流。PWM頻率增加時，每單位時間消耗的電荷量會變小，代表所需的匯流排電容也會減少。根據測試，將PWM頻率從20kHz提高到80kHz後，電解電容器可以用相等電容的陶瓷電容器替換，以獲得類似的匯流排電壓漣波。陶瓷電容器比電解電容器具有明顯的優勢：尺寸更小、使用壽命更長、高頻率特性更佳等等。
因此，在設計人形機器人時，必須考量更高速的電流迴路和PWM頻率。對MOSFET架構伺服驅動器而言，PWM切換頻率增加會帶來大量額外損耗，造成驅動器嚴重加熱。當切換頻率從10kHz提高到20kHz時，MOSFET型驅動器的整體損耗會增加20% 至30%。或者，GaN FET也可在高頻率下提供低切換損耗。在測試中，在40kHz和80kHz時電路板損耗幾乎相同，因此GaN特別適合高切換頻率情境。
GaN裝置的特性，讓GaN可實現如此低切換損耗。GaN裝置的閘極電容與輸出電容較小，可實現比Si-MOSFET快100倍的切換速度。由於關閉和開啟時間縮短，失效時間可控制在較短範圍內，例如10-20ns，而MOSFET通常需要約1us的失效時間。減少失效時間可降低切換損耗。此外，GaN FET沒有本體二極體，但飛輪功能可透過第三象限運作實現。在高頻率PWM情境中，MOSFET的本體二極體會造成較大的反向復原損耗。第三象限運作也可避免本體二極體造成的切換節點振鈴和EMI風險，以減少對高功率密度人形機器人中其他裝置的干擾。
人形機器人的接頭空間有限。電源板通常是直徑5-10 cm的環形PCB。此外，接頭必須整合馬達、減速器、編碼器，甚至是感測器。設計人員必須在有限空間內實現更高功率與更穩定的馬達控制。相較於MOSFET，GaN的特定電阻較小。德州儀器透過整合FET與閘極驅動器，進一步縮小占地面積。如此可在僅4.5 x 5.5mm的封裝中實現4.4mΩ半橋 + 閘極驅動器。
以LMG2100R026為例。此裝置整合半橋式與半橋式驅動器的FET，可承受55A的連續電流。整合驅動器與FET有許多優點，其中包括減少閘極振鈴，實現更可靠的運作，減少電源迴路電感，縮小尺寸，及整合式防護保護裝置。
人形機器人對控制準確度和功率密度的要求更高。GaN可在高PWM頻率下輕鬆實現具低損耗的更高精密度馬達控制。結合GaN的高功率密度本質與整合式驅動器的特性，可進一步縮小尺寸。基於這些優點，GaN架構馬達驅動器可能會成為人形機器人的偏好設計，以提供更有效率、穩定且更智慧的機器人設計。
