瑞萨电子解析机器人技术演进：从电源设计到氮化镓技术的核心作用

机器人技术正以惊人速度发展，从配送包裹的无人机到与人协作的人形机器人（Humanoids）和协作机器人（Cobots），各类形态的机器人对电源、安全性和效率提出了差异化需求。瑞萨电子电源系统营销高级经理堀井浩久（Hirohisa Horii）在 PowerUP 播客中指出，不同类型机器人的电源设计逻辑截然不同：电池供电的协作机器人、自主移动机器人（AMR）和无人机通常采用 24V 或 48V 直流电源，侧重安全性与移动性；而工业机器人则依赖 200V 至 400V 以上的高压交流电，以提升效率并降低电流损耗。

“机器人系统设计的复杂性源于其多元化需求，” 堀井浩久强调，“例如，人形机器人的关节数量直接决定了电源架构的复杂度 —— 基础型机器人约有 12 至 20 个关节，而高端仿生机器人的关节数量可达 50 至 100 个以上，动态运动时峰值功率可达 1 至 2 千瓦，对能效、散热和能量回收技术提出了极高要求。”

氮化镓（GaN）技术：下一代电机控制的核心驱动力

在机器人电源技术中，GaN器件正取代传统的 MOSFET 和 IGBT，成为提升效率与缩小体积的关键。与硅基器件相比，GaN 开关速度快 3 至 4 倍，损耗更低，尤其适合对重量和效率敏感的场景（如协作机器人）。堀井浩久解释道：“48V 至 100V 的低压 GaN 可实现高频开关，让电机驱动更安静、响应更迅速；而 650V GaN 则适用于工业机器人的高压系统，在提升效率的同时减小散热压力。”

瑞萨电子正通过 IDM 模式与台积电、世界先进等代工厂合作，将 GaN 技术从 650V 扩展至 100V 领域，推出 1mΩ 至 5mΩ 低导通电阻的器件，搭配 33mm 和 55mm 的紧凑封装，进一步缩小被动元件尺寸。“我们的 GaN 技术结合了高可靠性、简易驱动方案和多电平拓扑兼容性，预计 2027 年起将成为工业机器人的标准配置。” 他补充道。

电源管理与安全：从电池方案到功能安全标准

机器人的供电模式正朝多元化发展：AMR 与 AGV 通过自动对接和无线充电实现 24/7 运行，无人机依赖电池更换，而人形机器人则需兼顾自动充电与电池热插拔。瑞萨电子提供集成电池管理系统（BMS）、USB PD 快充和电机控制 MCU 的平台方案，例如其 BMS 可实现电芯均衡、充电保护和剩余电量（SOC）精准估算，搭配 USB PD 技术缩短充电时间。

在安全性方面，协作机器人和人形机器人需满足 SIL 2 至 SIL 3 功能安全标准。瑞萨依托汽车领域的 ASIL 认证经验，将 AUTOSAR 架构和 ASIL D 级诊断功能引入机器人电源系统，提供包含硬件冗余、自检测软件和故障安全设计的全套方案。“我们的工业 MCU 支持 SIL 3 级系统软件，结合电源侧的电压、温度和电流监控，可实现从电源到关节的全链路安全控制。” 堀井浩久表示。

通信协议与未来趋势：标准化与定制化并存

机器人内外通信协议正走向差异化发展：外部通信逐渐标准化，以 EtherCAT 和 Ethernet IP 为主；内部通信则因关节类型和实时性需求，呈现 RS-485、CAN 与 EtherCAT 并存的局面。瑞萨的 MCU 产品组合（如 RZ/N2L 和 RX72M）可同时支持实时控制与低速传感通信，而面向 AI 集成的平台则兼容时间敏感网络（TSN），为机器人与边缘计算设备的互联奠定基础。

展望未来 5 至 10 年，堀井浩久指出，机器人电源市场将聚焦三大方向：以 GaN 为核心的高效能驱动、全链路功能安全以及智能化电源管理（如自动充电与能量回收）。瑞萨电子通过 “GaN 驱动 + MCU 软件 + 安全平台” 的三位一体软件策略，提供从参考设计到评估套件的全流程支持，助力客户加速产品落地。“我们的目标是让机器人更紧凑、更智能，同时确保从原型到量产的每一步都高效可靠。”