電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/莫婷婷）隨著AI、自動化等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用場景不斷擴(kuò)大，從工業(yè)制造、物流運(yùn)輸、醫(yī)療護(hù)理、教育服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域延伸。然而，隨著機(jī)器人應(yīng)用邊界的拓展，其對續(xù)航能力和充電能力的要求也隨之增加，傳統(tǒng)充電方式已難以滿足新一代機(jī)器人對于快速補(bǔ)能、高效運(yùn)行的需求，如何滿足機(jī)器人的充電需求成為新的話題。

當(dāng)前，機(jī)器人可以分為四類，一個(gè)是以掃地機(jī)為代表的家用機(jī)器人，二是以AGV機(jī)器人為代表的物流倉儲機(jī)器人，三是工業(yè)機(jī)械臂，四是人形機(jī)器人。TrendForce集邦咨詢提到人形機(jī)器人續(xù)航時(shí)間基本在2小時(shí)到6個(gè)小時(shí)左右，充電實(shí)現(xiàn)約為1小時(shí)左右。

該如何實(shí)現(xiàn)快速的電量補(bǔ)充，第三代半導(dǎo)體技術(shù)在機(jī)器人的充電問題上，可以發(fā)揮出哪些作用，產(chǎn)業(yè)鏈玩家都推出了哪些解決方案適配市場需求呢？


機(jī)器人充電功率升級，GaN/SiC成充電新寵

與傳統(tǒng)Si MoS相比，第三代半導(dǎo)體GaN、SiC有著明顯的優(yōu)勢。其中GaN的優(yōu)勢包括低器件損耗、低死區(qū)時(shí)間、高開關(guān)性能。這些優(yōu)勢讓其適用于人形機(jī)器人的多個(gè)方向，包括旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的無框力矩電機(jī)、靈巧手中的空心杯電機(jī)、智能感知系統(tǒng)的雷達(dá)、電池中的BMS、充電器中的AC/DC，以及AI及控制系統(tǒng)的DC/DC等。

鎵奧科技市場總監(jiān)戚永樂在公開演講中分享了一組數(shù)據(jù)，他提到，按照單臺人形機(jī)器人GaN器件總用量約需200顆/臺(中值估算)，預(yù)計(jì)到2031年，全球人形機(jī)器人出貨量預(yù)計(jì)達(dá)到100萬，將帶來大約2億顆GaN 晶體管的需求。

人形機(jī)器人的充電功率通常在600W到3000W左右，具體數(shù)值取決于其任務(wù)需求、電池容量以及運(yùn)行時(shí)的能耗水平。隨著對機(jī)器人續(xù)航能力和工作效率要求的不斷提高，提升充電功率成為一種趨勢。

然而，充電功率的提升也帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。一是發(fā)熱問題，高功率充電過程中會產(chǎn)生大量熱量，若散熱不及時(shí)或設(shè)計(jì)不合理，會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。二是尺寸問題，為了承載更大功率，充電模塊的體積和重量隨之增加，不利于機(jī)器人輕量化、緊湊化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。三是噪聲問題，高功率運(yùn)行還可能引發(fā)電磁干擾和機(jī)械噪聲等問題，影響機(jī)器人在人機(jī)協(xié)作環(huán)境中的使用體驗(yàn)與安全性。

與傳統(tǒng)Si MoS相比，GaN、SiC器件能夠在一定程度解決上述問題，因此也受到機(jī)器人供應(yīng)鏈企業(yè)廣泛關(guān)注與布局。例如在DC-DC電源的應(yīng)用中，GaN DC-DC電源的功率密度可達(dá)傳統(tǒng)硅基方案的2-3倍，緊湊的設(shè)計(jì)，將電源體積縮小40%。

GaN功率器件有著優(yōu)秀的散熱性能，鎵未來研發(fā)&市場總監(jiān)張大江在公開演講時(shí)介紹，在直流電壓240V、升壓到400V，工作頻率100KHz的圖騰柱PFC電路中，GaN電路的轉(zhuǎn)化效率在1000W以上可以做到99%的轉(zhuǎn)換效率，整體來看從500W到3000W能做到98%。而采用傳統(tǒng)的Si器件，峰值效率只能99%。兩者損耗實(shí)際上相差了三倍?！斑@對于大功率充電來講，散熱性能會產(chǎn)生很大的差異。散熱相差三倍，也可以說能夠?qū)崿F(xiàn)的功率密度相差三倍。”

圖源：稼未來

當(dāng)然，在機(jī)器人等大功率應(yīng)用場景中，SiC、GaN有著不同的優(yōu)勢。張大江表示，SiC適用于大功率、高電壓，且開關(guān)頻率和功率度高于硅器件；GaN適用于中等功率，電壓通常在100V~900V具有最高的開關(guān)頻率和功率密度。

此外，SiC、GaN在成本上的表現(xiàn)也不一樣，英嘉通CTO蔣勝表示，隨著SiC產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，單片SiC wafer成本相比2024年同期已下降超過100%，趨勢還將繼續(xù)。他提到，等效規(guī)格對比單片6 inch gross die，SiC產(chǎn)出相比GaN可超過50%，相比CoolMOS超出大于450%，相比VDMOS超出大于750%。


GaN/SiC創(chuàng)新快充，傳統(tǒng)方案同步進(jìn)化

目前，業(yè)內(nèi)已有多家廠商推出面向機(jī)器人市場的GaN、SiC的充電解決方案。

在基于GaN的充電解決方案方面，英諾賽科、稼奧科技已經(jīng)推出了各自的充電方案。

針對機(jī)器人AI大腦及控制系統(tǒng)的供電，英諾賽科提供了1.2KW輸出功率、48V到12V高效電壓轉(zhuǎn)換的解決方案，采用了3.5毫歐的GaN功率器件，在滿足機(jī)器人小型化與輕量化的同時(shí)提升了整體能效。

英諾賽科還推出了針對機(jī)器人的快充解決方案，能夠提高機(jī)器人的使用效率，其推出的240W AII GaN BTP PFC+LLC解決方案，具備三大優(yōu)勢，一是高效率，系統(tǒng)效率可達(dá)97%(230Vac)，在低電壓輸入（90Vac）下也能實(shí)現(xiàn)95.2%的效率有效減少能量損耗。二是小體積，PCBA尺寸為85.5*58*20.5mm，適合集成于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)器人本體中；三是高功率密度，達(dá)38.7W/in3(PCBA)。

鎵奧科技同樣推出了機(jī)器人充電機(jī)方案，鎵奧科技市場總監(jiān)戚永樂介紹，公司推出了CL-PAS-1600-48A是國際通用電壓范圍輸入AC/DC電源模塊，適應(yīng)于額定 200~240Vac 交流輸入電壓。轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 93%。

在基于SiC的充電解決方案的進(jìn)展方面，英嘉通發(fā)布了8款規(guī)格的750V SiC MOS產(chǎn)品，包括IGC060R075系列等。

其750V SiC MOS產(chǎn)品具備四大優(yōu)勢：一是高溫特性，相同規(guī)格器件，在125度下，SiC MOS器件RON減少40%。二是其750V SiC MOS產(chǎn)品雪崩擊穿電壓850V以上，使用更安全相比；且與GaN產(chǎn)品，避免了耐壓上的過量設(shè)計(jì)，具有成本優(yōu)勢。三是在動態(tài)電阻方面，對于GaN來說，高壓硬開關(guān)條件下動態(tài)電阻依舊是很大的挑戰(zhàn)，SiC MOS 沒有動態(tài)電阻問題。四是短路問題，這是GaN器件的挑戰(zhàn)之一，但SiC MOS器件通過設(shè)計(jì)可以應(yīng)對超過15us以上的短路時(shí)間。英嘉通750V SiC MOS產(chǎn)品的短路時(shí)間設(shè)計(jì)值2.5us。五是成本優(yōu)勢。六是可靠性優(yōu)勢。

當(dāng)然，基于SiC和GaN第三代半導(dǎo)體的充電解決方案有其創(chuàng)新性和優(yōu)勢，這并不意味著傳統(tǒng)的基于硅材料的充電方案已經(jīng)可以被放棄，畢竟傳統(tǒng)方案在成本和成熟度方面具有優(yōu)勢。

因此也有不少深耕傳統(tǒng)充電解決方案的電源管理芯片公司也針對機(jī)器人的充電問題推出快充方案。例如昂寶電子推出了48V 機(jī)器人快充解決方案。該方案采用了先進(jìn)的 AHB（不對稱半橋）拓?fù)浼軜?gòu)，并結(jié)合昂寶自主研發(fā)的多款高性能電源管理芯片，包括OB2627（高度集成的 USB PD3.1 接口控制器）、OB2793（高壓控制器芯片）、OB6560（高壓協(xié)議識別芯片）和OB6669（數(shù)字接口控制器）構(gòu)建了一個(gè)智能化的快充系統(tǒng)。

根據(jù)介紹，AHB 拓?fù)淙诤狭朔醇ぷ儞Q器和不對稱半橋的技術(shù)優(yōu)勢，能夠顯著降低開關(guān)損耗，提高了整體轉(zhuǎn)換效率，能夠在大電流場景中實(shí)現(xiàn)快速的動態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，該方案支持 3.3 - 60V 寬范圍輸出，結(jié)合快充協(xié)議的 10mV 級電壓步進(jìn)調(diào)節(jié)，可精準(zhǔn)適配不同機(jī)器人電池包的 CC - CV 充電曲線，提升了系統(tǒng)的兼容性，還省去了傳統(tǒng)方案中所需的額外充電管理電路，有效減小了系統(tǒng)體積，降低了整體成本。

48V 機(jī)器人快充解決方案中，能夠支持包括 USB PD3.1 EPR 48V以及 BC1.2 DCP 等多種主流快充協(xié)議，并可通過 USB PD 協(xié)議與電源端進(jìn)行通信，自動完成協(xié)議協(xié)商。這對于需要頻繁操作且工作周期短的機(jī)器人來說至關(guān)重要，能夠大幅提高工作效率。


小結(jié)：

隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，未來機(jī)器人之間的競爭將不再僅僅局限于算法、感知或執(zhí)行能力，而是轉(zhuǎn)向包括供電系統(tǒng)在內(nèi)的整體性能比拼。目前，英諾賽科、鎵奧科技、稼未來、英嘉通、昂寶電子等企業(yè)積極布局機(jī)器人快充相關(guān)解決方案，并推出基于GaN/SiC器件、AHB 拓?fù)浼軜?gòu)等先進(jìn)技術(shù)平臺的產(chǎn)品，在成本控制、散熱與充電效率等方面展現(xiàn)出競爭力。未來，機(jī)器人供電系統(tǒng)的演進(jìn)將呈現(xiàn)“新材料突破+傳統(tǒng)方案升級”并行的發(fā)展格局，推動整個(gè)產(chǎn)業(yè)向更高效、更智能的方向邁進(jìn)。