如何在極為有限的關節空間限制下，實現更高的功率輸出並解決散熱問題，是人形機器人設計上最大的挑戰。氮化鎵電源技術，是最有潛力的候選方案。
在生成式AI從雲端走向終端的浪潮下，作為邊緣AI最具代表性的應用之一，人形機器人正快速從概念驗證邁向實際部署。其發展速度之快，已讓全球產業版圖出現明顯變化。同時，人形機器人關節設計存在許多技術上的挑戰，是傳統MOSFET、IGBT難以克服的。這個客觀現實，讓氮化鎵(GaN)電源技術在人形機器人領域的應用，具備十分值得期待的前景。
人形機器人產業生態類似汽車產業
德州儀器(TI)工業自動化與機器人部門總經理Giovanni Campanella指出，從區域分布來看，目前美國與中國仍處於領先位置，但歐洲、南韓與日本業者正加速追趕，形成多極化競爭格局。這種競爭不僅體現在整機產品，更延伸至關鍵零組件與半導體技術的整合能力，特別是在電源管理與馬達控制等核心領域。
德州儀器工業自動化與機器人部門總經理Giovanni Campanella認為，人形機器人為馬達驅動設計帶來許多新的挑戰，氮化鎵技術是最有潛力的解決方案。
Campanella進一步觀察，人形機器人的產業結構，其實跟汽車產業相當類似。許多新創機器人公司本質上是「軟體驅動」的團隊，工程人員多來自AI與軟體背景，因此在硬體設計上高度仰賴外部夥伴。因此，在人形機器人領域，產業分工其實相當清晰：上游晶片供應商提供關鍵元件與系統設計基礎，中游Tier 1廠商負責整合致動器(Actuator)與動力模組等關鍵零部件，下游OEM則專注於整機系統與應用開發。
這樣的分工模式，使得參考設計(Reference Design)的重要性顯著提升。對OEM與Tier 1而言，能否快速取得經過驗證的設計架構，往往決定產品開發速度與性能表現。TI因此投入大量資源，開發可直接導入的系統級方案，協助客戶縮短開發週期，同時降低設計風險。
以TI推出的TIDA-010979參考設計(圖1)為例，其核心在於針對人形機器人致動器需求，打造高效率、高功率密度且可回收能量的電源與驅動架構。該設計整合氮化鎵(GaN)功率元件與精密控制技術，鎖定機器人關節所需的高動態響應與高效率運作。
圖1 TI針對人形機器人關節馬達驅動開發的TIDA-010979參考設計
首先，在功率轉換效率方面，GaN元件具備高速切換與低損耗特性，使系統能在高頻運作下維持優異效率，進一步縮小電源模組體積。對於空間受限且重量敏感的人形機器人而言，這意味著更高的功率密度與更靈活的機構設計。
其次，該參考設計支援雙向電源架構，能在馬達減速或制動時，將動能回收並轉換為電能回充至電池。這項特性與電動車的再生煞車概念類似，但在人形機器人上更具挑戰，因為其動作更為頻繁且複雜。透過高效能的能量回收機制，不僅能延長機器人運作時間，也能提升整體能源使用效率。
在控制層面，TIDA-010979結合即時控制MCU與高精度感測，能實現對馬達電流、速度與位置的精準控制，滿足人形機器人在行走、抓取等動作中的高動態需求。此外，設計中亦強調系統保護與可靠度，包括過流、過壓與溫度監控機制，以確保長時間運作下的穩定性。
值得注意的是，TI在此參考設計中，不僅提供硬體架構，亦同步釋出完整的設計文件、韌體範例與測試資料，讓Tier 1與OEM能直接基於該平台進行客製化開發。這種「從晶片到系統」的整合策略，正是TI切入人形機器人市場的重要競爭優勢。
Campanella強調，對於熟悉汽車產業運作模式的企業而言，人形機器人其實是一個延伸市場。無論是電源架構、馬達控制，還是功能安全與可靠度設計，都與電動車高度相似。因此，具備車用電子經驗的廠商，只要搭配適當的產品組合與合作夥伴，將更容易在這個新興市場中取得先機。
氮化鎵技術協助克服技術挑戰
在人形機器人逐步從實驗室走向實際應用的過程中，硬體設計的挑戰也同步浮上檯面。Campanella指出，相較於傳統工業機器人，人形機器人在電源與驅動設計上面臨更嚴苛的限制，而這些限制正是推動氮化鎵(GaN)技術導入的關鍵因素。
首先，在機構設計上，人形機器人的關節(Actuator)需要在極為有限的空間內，輸出高達1kW以上的功率。這種高功率密度需求，使得傳統矽基功率元件難以滿足設計目標。Campanella指出，GaN功率元件具備高速切換特性，可在更高頻率下運作，讓設計工程師得以採用體積更小的被動元件，例如以陶瓷電容取代傳統體積較大的電解電容。這樣的改變能大幅縮小整體驅動模組尺寸，也讓高性能致動器得以整合進人形機器人的關節之中。
除了尺寸之外，散熱問題同樣是設計的核心挑戰。人形機器人的關節不僅空間有限，對重量也極為敏感，因此OEM與Tier 1廠商幾乎沒有餘裕在關節內配置主動散熱機制或大型散熱器。在這樣的條件下，降低熱的產生才是最根本的解法。GaN元件在高效率電源轉換上的優勢，正好回應了這一需求。透過減少開關損耗與導通損耗，GaN可顯著降低系統發熱，使被動散熱成為可行方案，從根本上解決熱管理瓶頸。
在電源架構方面，人形機器人多半採用48V電池系統，這與傳統工業機器人直接連接市電、擁有穩定電壓來源的情境截然不同。電池供電意味著輸入電壓會隨著電量狀態與負載條件波動，因此馬達驅動系統必須具備寬輸入電壓範圍的適應能力。這對電源管理IC與驅動控制器的設計提出更高要求，也讓系統穩定性與控制精度變得更加關鍵。
另一方面，人形機器人通常整合大量感測器，包括視覺、力覺與位置感測等，這些感測系統對訊號品質極為敏感。因此，電源與驅動系統所產生的電磁干擾(EMI)，必須被嚴格控制。高速切換雖然是GaN的優勢，但同時也可能帶來更高的EMI風險。如何在高效率與低干擾之間取得平衡，成為設計工程師的重要課題。這不僅涉及功率元件本身的特性，也牽涉到布局(Layout)、封裝與系統級設計能力。
針對上述挑戰，TI亦推出對應的人形機器人馬達驅動解決方案，例如DRV7167。該元件鎖定高性能馬達控制應用，特別適合空間受限且需要高效率運作的場景。
從產品特性來看，DRV7167整合多項關鍵功能，能協助簡化系統設計。首先，其高度整合的驅動架構，可減少外部元件數量，進一步縮小PCB面積，這對於關節模組的小型化設計尤為重要。其次，該晶片支援高效率運作與精準控制，能滿足人形機器人在動作過程中對扭矩與速度的即時調整需求。
此外，DRV7167亦針對系統可靠度與保護機制進行強化，內建多種保護功能，例如過流、過壓與過熱保護，有助於提升整體系統的穩定性與安全性。在人形機器人長時間運作、且動作頻繁的應用情境中，這些保護機制可有效降低故障風險。
在EMI控制方面，該產品亦提供最佳化設計，有助於降低開關噪聲對周邊感測器的影響。透過與GaN功率元件及系統設計的協同最佳化，工程師可在維持高效率的同時，達到嚴格的電磁相容(EMC)要求。
人形機器人是一場綜合競賽
Campanella總結說，人形機器人的設計，本質上是一個「多重限制下的最佳化問題」。工程師必須在尺寸、重量、效率、散熱、EMI與成本之間取得平衡，而這也讓系統級解決方案的重要性日益提升。單一元件的性能不足以決定最終產品表現，唯有從晶片、電源架構到整體系統設計的全面整合，才能真正滿足人形機器人的需求。也因為如此，人形機器人產業的競爭，是一個電源、控制與系統整合能力的綜合競賽。擁有完整產品組合的大廠，更有機會爭取到客戶青睞。