GaN-Leistungstransistoren Humanoider Roboter und fortschrittliche Elektronik

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Die rasante Entwicklung humanoider Roboter verspricht, den Arbeitskräftemangel zu lösen – doch herkömmliche Technologien stoßen an ihre Grenzen. Könnten GaN-Leistungstransistoren der Schlüssel zur menschenähnlichen Beweglichkeit sein?

Die Welt erlebt einen rasanten Wandel in der Automatisierung, wobei humanoide Roboter als revolutionäre Lösung für den Arbeitskräftemangel gelten, insbesondere in Industrieländern mit alternder Bevölkerung und sinkenden Geburtenraten. Humanoide Roboter, die in Form und Funktion dem Menschen nachempfunden sind, werden zunehmend in den Bereichen Gesundheitswesen, Fertigung und Dienstleistung eingesetzt.

Das Herzstück dieser Roboter sind fortschrittliche Stromversorgungssysteme, die effiziente Bewegung, sensorische Wahrnehmung und Entscheidungsfindung ermöglichen. Um eine menschenähnliche Beweglichkeit und Autonomie zu erreichen, sind humanoide Roboter auf eine Kombination aus Motorsteuerung, Bildverarbeitungssystemen und KI-basierter Entscheidungsfindung angewiesen, die alle fortschrittliche Leistungselektronik erfordern.

Herkömmliche Leistungsbauelemente auf Silizium-Basis stoßen in Bezug auf Größe, Effizienz und Zuverlässigkeit an ihre Grenzen – Hindernisse, die die vollständige Umsetzung humanoider Robotik einschränken. Hier kommen Galliumnitrid (GaN)-Leistungstransistoren und -ICs ins Spiel.

Einschränkungen in der aktuellen humanoiden Robotertechnologie

Effiziente Motorsteuerung: Humanoide Roboter verwenden bis zu 40 bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), um Bewegungen über Gelenke, Gliedmaßen und mechanische Komponenten zu steuern. Motoren, die kleinere Gelenke antreiben, benötigen wenig Strom, während stark beanspruchte Gelenke wie Hüften oder Beine bis zu 150 A erfordern. Unabhängig vom Strombedarf müssen die Motoren effizient arbeiten, um den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung zu minimieren – entscheidende Faktoren, um die Gesamtleistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Roboters zu gewährleisten. Herkömmliche Wechselrichter auf Basis von Silizium (Si) können jedoch nur bei PWM-Frequenzen unter 40 kHz betrieben werden. Daher können sie zu folgenden Problemen führen:

• Hohe Energieverluste und Wärmeentwicklung, was die Motoreffizienz verringert.

• Größere Kondensatoren und sperrige Komponenten, die eine kompakte Integration einschränken.

• Sperrverzögerungsladung (Q_RR), die zu Leistungseinbußen und Rauschen führt.

Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungssysteme für die Navigation

Bildverarbeitungssysteme wie Lidar (Light Detection and Ranging) sind für die Roboternavigation und die räumliche Wahrnehmung entscheidend. Lidar-Systeme erfordern:

• Sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten für schnelle Bildraten und Auflösung.

• Kompakte Elektronik mit minimaler parasitärer Induktivität für optimale Leistung.

• Höhere Leistungsdichte für die Erkennung über große Entfernungen.

Power-Management für KI-Systeme

Das „Gehirn“ humanoider Roboter – KI-Prozessoren – benötigt effiziente, kompakte DC/DC-Wandler, die in der Lage sind, Leistung ohne übermäßige Verluste zu liefern. KI-Systeme sind rechenintensiv und benötigen für ihren Betrieb viel Strom, insbesondere bei der Ausführung komplexer Aufgaben wie Echtzeit-Bildverarbeitung, Entscheidungsfindung und Bewegungssteuerung. Herkömmliche Stromrichter haben Schwierigkeiten, die hohen Anforderungen an die Leistungsdichte und den hohen Wirkungsgrad von KI-Servern zu erfüllen, was zu Wärmestau, verkürzter Betriebszeit und Leistungseinbußen führt.

GaN revolutioniert humanoide Roboter

GaN für die Motorsteuerung: GaN-Bauelemente eignen sich besonders gut für Motorsteuerungsanwendungen in humanoiden Robotern, da sie im Vergleich zu herkömmlichen MOSFETs auf Si-Basis über bessere elektrische Eigenschaften verfügen. Die GaN-Leistungsbauelemente von EPC bewältigen die Herausforderungen der Motorsteuerung durch:

• Hohe Schaltgeschwindigkeiten: 10 bis 100-mal schneller als Si-MOSFETs, was Motorverluste reduziert, die Gesamtwirkungsgrad verbessert und den Einsatz kompakter Keramikkondensatoren anstelle sperriger Elektrolytkondensatoren erlaubt.

• Keine Sperrverzögerungsladung (Q_RR): Beseitigt Energieverluste und minimiert die Wärmeentwicklung. Darüber hinaus bedeutet der Wegfall von Q_RR, dass in jedem Schaltzyklus weniger Totzeit erforderlich ist – statt mehrerer 100 ns nur mehr einige 10 ns. GaN-Bauelemente erhöhen so das Drehmoment pro Ampere, was zu effizienteren Motoren, einem kühleren Betrieb und einem leiseren System führt.

• Kompaktes Design: Monolithische Leistungsstufen wie EPC23102 und EPC23104 integrieren wesentliche Funktionen in einem einzigen Chip (Bild 1).

GaN in Motorsteuerungen verbessert die Effizienz, verringert die Baugröße und das Gewicht und sorgt für niedrigere Kosten und mehr Zuverlässigkeit. GaN ist somit die beste Wahl für die Stromversorgung der Motoren in humanoiden Robotern, die für einen effektiven Betrieb eine kompakte, effiziente und zuverlässige Leistungselektronik benötigen.

GaN in Lidar-Systemen: Zusätzlich zur Bewegung müssen humanoide Roboter ihre Umgebung auf ähnliche Weise wie Menschen wahrnehmen und mit ihr interagieren. Das Sehen ist die wichtigste sensorische Funktion des humanoiden Roboters, die es ihm ermöglicht, sich in seiner Umgebung zurechtzufinden, Hindernissen auszuweichen und komplexe Aufgaben auszuführen. Um dies zu erreichen, sind Roboter auf fortschrittliche optische Systeme wie Lidar angewiesen. GaN bietet Lidar-Systemen:

• Sehr schnelles Schalten: Ermöglicht hohe Bildraten und Auflösungen, die für die räumliche Orientierung entscheidend sind. GaN-ICs schalten mit Geschwindigkeiten, die 100-mal schneller sind als Si-MOSFETs, sodass das Lidar-System Laserimpulse mit einer viel höheren Frequenz aussenden und erfassen kann. Diese erhöhte Frequenz führt direkt zu einer höheren Auflösung, sodass der Roboter detailliertere und genauere Karten seiner Umgebung erstellen kann.

• Kompakte Lasertreiber: Der GaN-IC EPC21601 (15 A, 40 V) integriert einen Transistor und einen Treiber in einem 1 mm x 1,5 mm Gehäuse, was parasitäre Induktivitäten reduziert und die Zuverlässigkeit verbessert.

• Langstrecken-Erkennung: Neben der Geschwindigkeit bieten GaN-Bauelemente eine höhere Stromdichte als Silizium, was leistungsstärkere Laserpulse und eine größere Reichweite ermöglicht, ohne die Größe des Systems zu erhöhen.

Diese Eigenschaften machen GaN-basierte Lidar-Systeme ideal für humanoide Roboter, die eine präzise Echtzeit-Navigation erfordern.

GaN für KI-Power-Management: In humanoiden Robotern ist das KI-System für die Verarbeitung von Sensordaten, das Treffen von Entscheidungen und die Steuerung der Bewegungen des Roboters verantwortlich. Dies erfordert eine konstante, effiziente Versorgung mit Energie. GaN-basierte DC/DC-Wandler von EPC versorgen KI-Systeme mit hoher Effizienz und tragen dazu bei, die Baugröße zu verringern:

• Hohe Leistungsdichte: KI-Server benötigen sehr hohe Leistungsdichten, um in den begrenzten Raum der Serverplatine zu passen. GaN-basierte Designs, wie das Evaluierungsboard EPC9159 (Bild 2), liefern 5 kW/in³, was ideal für KI-Systeme mit begrenztem Platzangebot ist.

• Hohe Effizienz: Wirkungsgradverluste in diesen Systemen führen zu einer geringeren Leistungsfähigkeit, einer höheren Wärmeentwicklung und kürzeren Betriebszeiten. Der EPC9159 erreicht bei 1 kW einen Wirkungsgrad von >97,5 %.

• Kompakter Formfaktor: Ermöglicht den Einbau von Hochleistungswandlern in den begrenzten Raum, der bei Robotern zur Verfügung steht.

GaN gewährleistet, dass humanoide Roboter auch bei intensiver KI-gesteuerter Arbeitsbelastung zuverlässig funktionieren, indem Leistungsverluste reduziert und die Effizienz maximiert werden.

Fazit: Die Rolle von GaN in der Zukunft der Robotik

Der globale Markt für humanoide Roboter wird in den nächsten Jahren ein beträchtliches Wachstum verzeichnen. Da unsere Gesellschaft altert und die Geburtenraten sinken, insbesondere in den Industrieländern, wird der Bedarf an automatisierter Arbeit immer dringlicher. Humanoide Roboter erweisen sich als praktikable Lösung, um dem Arbeitskräftemangel in verschiedenen Sektoren, von der Gesundheits- und Altenpflege bis hin zur Fertigungs- und Dienstleistungsindustrie, zu begegnen. Die GaN-Technologie ist bestens geeignet, humanoiden Robotern eine höhere Effizienz, Kompaktheit und Leistungsfähigkeit zu verleihen. Ob es um Motorsteuerung, Lidar-Navigation oder Energieversorgung für KI-Systeme geht – die GaN-Lösungen von EPC tragen zur Bewältigung der bestehenden Herausforderungen bei.

Mit dem fortschreitenden Wachstum des globalen Marktes für humanoide Roboter tragen die Entwicklungen von EPC in der GaN-Technologie maßgeblich dazu bei, dass Roboter eine immer wichtigere Rolle bei der Lösung praktischer Alltagsprobleme und der Verbesserung der Lebensqualität spielen. (mr)

* Alex Lidow ist CEO bei Efficient Power Conversion (EPC), Marco Palma ist Director Motor Drives Systems and Applications bei Efficient Power Conversion (EPC)

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