Dans le domaine de l’automatisation, les robots deviennent de plus en plus sophistiqués, grâce à plusieurs tendances technologiques dans l’électronique de puissance avancée qui offrent une haute efficacité, une taille compacte et une fiabilité.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif en contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Le monde entre dans une nouvelle ère d’automatisation, où les robots deviennent de plus en plus sophistiqués, capables d’effectuer des tâches autrefois considérées comme étant exclusivement humain. À la pointe de cette transformation se trouvent les robots humanoïdes, conçus pour imiter la forme et les fonctions du corps humain.
Robots humanoïdes et besoin d’électronique avancée
Ces robots ne sont pas de simples machines; ils sont des systèmes complexes nécessitant une électronique de puissance avancée pour fonctionner de manière efficace et performante.
Image gracieusement fournie par Bodo’s Power Systems [PDF]
Le marché mondial des robots humanoïdes est prêt à connaître une croissance significative dans les années à venir. Alors que notre société vieillit et que les taux de natalité déclinent, notamment dans les pays développés, le besoin de main-d’œuvre automatisée devient de plus en plus pressant. Les robots humanoïdes émergent comme une solution viable pour faire face aux pénuries de main-d’œuvre dans divers secteurs, allant des soins de santé et des soins aux personnes âgées à l’industrie manufacturière et aux services.
Cependant, l’adoption généralisée des robots humanoïdes est actuellement limitée par des facteurs tels que le coût, la vitesse fonctionnelle, le coût de programmation et d’apprentissage de ces robots, ainsi que leur capacité à s’adapter à des situations imprévues. Le rythme auquel ces défis sont surmontés déterminera la rapidité avec laquelle les robots humanoïdes seront déployés dans diverses industries. En fin de compte, le succès de ces avancées dépend de la volonté de la société d’intégrer les robots dans la vie quotidienne et les environnements de travail.
Plusieurs tendances technologiques stimulent le développement des robots humanoïdes, le coût et la fonctionnalité étant les plus significatifs. L’électronique de puissance avancée, offrant une haute efficacité, une taille compacte et une fiabilité, est au cœur de ces avancées. C’est ici que les transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) et les circuits intégrés (IC) entrent en jeu.
Contrôle de moteur : le cœur du mouvement robotique
Au cœur de tout robot humanoïde se trouve sa capacité à se déplacer de manière proche du mouvement humain. Cela est réalisé à l’aide de moteurs à courant continu sans balais (BLDC), responsables de l’animation des articulations, des membres et d’autres composants mécaniques du robot. Un robot humanoïde typique est équipé d’environ 40 moteurs BLDC, chacun alimentant différentes parties du robot, telles que les doigts, les orteils, les bras, les jambes, le cou et le torse.
Ces moteurs varient en fonction de leurs besoins en puissance selon la fonction spécifique qu’ils exécutent. Par exemple, les moteurs qui animent les doigts du robot peuvent nécessiter seulement quelques ampères de courant, tandis que ceux qui alimentent les hanches ou les jambes peuvent en avoir besoin de 80 ampères ou plus. Quelles que soient les exigences de puissance, les moteurs doivent fonctionner avec une efficacité élevée pour minimiser la consommation d’énergie et la génération de chaleur, qui sont des facteurs critiques pour maintenir la performance et la fiabilité globales du robot.
L’importance du GaN dans le contrôle des moteurs
Les dispositifs en GaN sont particulièrement bien adaptés aux applications de contrôle de moteur dans les robots humanoïdes en raison de leurs propriétés électriques supérieures par rapport aux MOSFET en silicium traditionnels. L’un des principaux avantages des dispositifs en GaN est leur vitesse de commutation extrêmement rapide, qui est de 10 à 100 fois plus rapide que celle des MOSFET en silicium. Cette capacité de commutation à haute vitesse permet aux moteurs de fonctionner à des fréquences plus élevées, réduisant ainsi les pertes de moteur et améliorant l’efficacité globale du système.
La haute vitesse de commutation des dispositifs en GaN permet également l’utilisation de condensateurs céramiques plus petits et plus fiables à la place des condensateurs électrolytiques encombrants. Cela est particulièrement important dans les applications où l’espace est limité, comme dans les entraînements des moteurs des robots humanoïdes. En réduisant la taille des condensateurs, la taille et le poids globaux de l’entraînement peuvent être minimisés, facilitant ainsi l’intégration de l’entraînement dans le boîtier du moteur.
Un autre avantage critique des dispositifs en GaN est leur absence de charge de récupération inverse (QRR). Dans les MOSFET en silicium, la charge de récupération inverse peut entraîner des pertes d’énergie significatives pendant chaque cycle de commutation, réduisant l’efficacité et générant de la chaleur supplémentaire. L’absence de QRR dans les dispositifs en GaN élimine cette perte d’énergie, permettant au moteur de fonctionner de manière plus efficace avec une génération de chaleur réduite.
De plus, l’élimination de la charge de récupération inverse signifie que moins de temps mort est nécessaire dans chaque cycle de commutation. Le temps mort réduit la quantité de puissance livrée au moteur et peut provoquer du bruit acoustique. En minimisant le temps mort de plusieurs centaines de nanosecondes à seulement quelques nanosecondes, les dispositifs en GaN augmentent le couple par ampère, résultant en un fonctionnement plus efficace du moteur et un système plus silencieux.
Dans l’ensemble, l’utilisation de dispositifs en GaN dans les applications de contrôle de moteur offre des avantages significatifs, notamment une meilleure efficacité, une réduction de la taille et du poids, un coût inférieur et une fiabilité accrue. Ces avantages font du GaN le choix idéal pour alimenter les moteurs des robots humanoïdes, qui nécessitent une électronique de puissance compacte, efficace et fiable pour fonctionner correctement.
Étages de puissance monolithiques GaN pour entraînements de moteurs
Une des avancées les plus significatives dans la technologie GaN est le développement d’étages de puissance monolithiques, tels que l’EPC23102. Ces circuits intégrés monolithiques en GaN intègrent plusieurs fonctions dans une seule puce, y compris le transistor de puissance, le driver de porte et la circuiterie de protection. Le diagramme fonctionnel de l’EPC23102 est montré dans la Figure 1. En intégrant des fonctions clés dans une seule puce, l’EPC23102 économise un temps de conception et un espace précieux, qui sont des facteurs critiques dans l’environnement compact et complexe d’un robot humanoïde.
Figure 1. Diagramme fonctionnel du circuit intégré EPC23102 ePower Stage. Image gracieusement fournie par Bodo’s Power Systems [PDF]
Un exemple d’un entraînement de moteur basé sur le GaN utilisant le circuit intégré monolithique EPC23102 est la conception de référence EPC9176, dont le diagramme fonctionnel est montré dans la Figure 2. L’EPC9176 est un onduleur d’entraînement de moteur de 400 W utilisant trois circuits intégrés EPC23102 avec une large plage de tension d’entrée de 14 V à 85 V. Il peut fournir jusqu’à 20 ARMS de courant au moteur, le rendant adapté pour alimenter la plupart des petites articulations et actionneurs du robot.
Figure 2. Diagramme fonctionnel de la carte de conception de référence EPC9176. Image gracieusement fournie par Bodo’s Power Systems [PDF]
Améliorer la vision robotique : GaN dans les systèmes Lidar
En plus du mouvement, les robots humanoïdes doivent percevoir et interagir avec leur environnement de manière humaine. La vision est l’une des fonctions sensorielles les plus critiques pour un robot humanoïde, lui permettant de naviguer dans son environnement, d’éviter les obstacles et d’effectuer des tâches complexes. Pour y parvenir, les robots s’appuient sur des systèmes de vision avancés tels que le Lidar (détection et télémétrie par laser).
Le Lidar fonctionne en émettant des impulsions laser et en mesurant le temps nécessaire à ces impulsions pour rebondir sur des objets et revenir au capteur. En calculant le temps de vol de ces impulsions, les systèmes Lidar peuvent créer une carte numérique haute résolution et tridimensionnelle de l’environnement du robot. Contrairement à une carte produite à partir d’images de caméra, cette carte fournit des coordonnées précises en X, Y et Z pour l’ensemble de l’environnement, qui peuvent ensuite être traitées efficacement par l’IA du robot pour développer une conscience spatiale et prendre des décisions en temps réel.
Le Lidar est particulièrement bien adapté aux robots humanoïdes car il offre une haute résolution, une détection à longue portée et de rapides taux de rafraîchissement, autant de caractéristiques essentielles pour les tâches nécessitant des informations précises et en temps opportun sur l’environnement. Cependant, pour maximiser les performances des systèmes Lidar, l’électronique sous-jacente doit être capable de fonctionner à des vitesses extrêmement élevées et avec une densité de courant élevée — des exigences qui sont idéalement satisfaites par les dispositifs en GaN.
Les avantages du GaN dans les systèmes Lidar
La technologie GaN a été un facteur clé dans l’activation des systèmes Lidar depuis plus d’une décennie, notamment dans des applications telles que les véhicules autonomes et les systèmes avancés d’assistance à la conduite (ADAS). Les mêmes propriétés qui rendent le GaN idéal pour le Lidar automobile sont également bénéfiques pour les robots humanoïdes.
L’une des principales raisons de la domination du GaN dans les systèmes Lidar est sa vitesse de commutation exceptionnelle, qui est essentielle pour atteindre une haute résolution et des taux de rafraîchissement rapides. Les dispositifs en GaN peuvent commuter à des vitesses 100 fois plus rapides que les MOSFET en silicium, permettant au système Lidar d’émettre et de détecter les impulsions laser à une fréquence beaucoup plus élevée. Cette fréquence accrue se traduit directement par une résolution supérieure, permettant au robot de créer des cartes de son environnement plus détaillées et précises.
En plus de la vitesse, les dispositifs en GaN offrent une densité de courant plus élevée que le silicium, permettant de produire des impulsions laser plus puissantes. Ceci est particulièrementimportant pour la détection longue distance, où les impulsions laser doivent parcourir des distances plus grandes tout en retournant un signal fort. En conduisant plus de courant dans un encombrement réduit, les dispositifs en GaN permettent la conception de systèmes Lidar compacts qui peuvent être intégrés facilement dans la structure du robot sans compromettre les performances.
Un autre avantage clé du GaN dans les systèmes Lidar est que sa petite taille et son conditionnement à l’échelle de la puce permettent de minimiser les inductances parasites, qui peuvent dégrader les performances du système. EPC a développé des circuits intégrés combinant un puissant transistor GaN avec un driver intégré, éliminant efficacement l’inductance de source commune et l’inductance de boucle de porte. Un exemple est l’EPC21601, un driver laser intégré GaN de 15 A et 40 V capable de dépasser 100 MHz. Son boîtier à niveau de wafer de 1 mm x 1,5 mm est compact, tout en offrant une faible inductance grâce à ses bosses de soudure. La Figure 3 montre le schéma de connexion typique pour l’EPC21601 en tant que driver laser. En intégrant le transistor et le driver dans un seul circuit intégré, EPC a amélioré les performances, réduit la taille et le coût, et augmenté la fiabilité des systèmes Lidar dans les robots humanoïdes (la carte de développement EPC9154 est disponible pour accélérer les nouveaux designs).
Figure 3. Connexion typique utilisant l’EPC21601 comme driver laser. Image gracieusement fournie par Bodo’s Power Systems [PDF]
Alimenter le cerveau IA : GaN dans les convertisseurs DC-DC
Le cerveau d’un robot humanoïde est son système d’intelligence artificielle, qui traite les données sensorielles, prend des décisions et contrôle les mouvements du robot. Les systèmes IA sont gourmands en calculs et nécessitent une puissance significative pour fonctionner, en particulier lors de l’exécution de tâches complexes telles que le traitement d’images en temps réel, la prise de décision et le contrôle de mouvement. Pour répondre à ces demandes de puissance, les alimentations électriques pour serveurs IA s’appuient sur des convertisseurs DC-DC hautement efficaces capables de fournir de l’énergie avec des pertes minimales.
Dans les robots humanoïdes, le système IA est responsable du traitement des données des capteurs, de la prise de décisions et du contrôle des mouvements du robot. Cela nécessite un approvisionnement constant en énergie, et toute inefficacité dans l’alimentation peut entraîner une réduction des performances, une génération de chaleur accrue et une durée de fonctionnement plus courte. Les convertisseurs DC-DC basés sur le GaN aident à relever ces défis en fournissant de l’énergie avec des pertes minimales, garantissant que le système IA puisse fonctionner à des performances optimales.
GaN dans les alimentations pour serveurs IA
L’utilisation du GaN dans les alimentations pour serveurs IA offre un aperçu de l’avenir de l’électronique de puissance dans les robots humanoïdes. Les serveurs IA, produits par des entreprises telles que Nvidia, AMD et Alibaba, nécessitent des densités de puissance extrêmement élevées pour s’adapter à l’espace limité d’une carte de serveur tout en fournissant de grandes quantités de puissance de manière efficace. Les convertisseurs DC-DC basés sur le GaN se sont avérés très efficaces pour répondre à ces exigences, offrant des densités de puissance supérieures à 5 000 watts par pouce cube avec des rendements atteignant près de 98 %.
Un exemple d’un tel convertisseur DC-DC GaN est la conception de référence EPC9159, illustrée dans la Figure 4, qui mesure seulement 23 par 18 mm et peut fournir 1 kW de puissance continue. Ce design atteint une efficacité de pointe de plus de 97,5 % et une efficacité à pleine charge de plus de 95,5 % lors de la fourniture de 1 kW dans une charge de 12 V. La taille compacte, associée à une haute efficacité, fait des convertisseurs DC-DC basés sur le GaN une solution idéale pour alimenter les systèmes IA dans les robots humanoïdes, où l’espace est limité et l’efficacité énergétique est critique.
Figure 4. EPC9159 est un convertisseur LLC 1 kW, 48V/12V. Image gracieusement fournie par Bodo’s Power Systems [PDF]
Le rôle du GaN dans l’avenir de la robotique
Les robots humanoïdes sont déjà déployés dans divers environnements. Des robots semi-humanoïdes assurent le service en chambre dans des hôtels, agissent comme gardes de sécurité dans les aéroports et livrent même de la nourriture dans les rues des villes. Bientôt, les robots humanoïdes devraient trouver des applications à fort volume dans les entrepôts et les usines, exécutant des tâches répétitives ou dangereuses. Alors que les taux de natalité diminuent dans les pays développés, il existe de plus en plus de préoccupations concernant la disponibilité des travailleurs pour soutenir une population vieillissante. Les robots humanoïdes ont le potentiel de combler ce vide de main-d’œuvre, contribuant à maintenir la stabilité économique et à améliorer la qualité de vie à l’échelle mondiale.
À mesure que le marché mondial des robots humanoïdes croît, la demande pour une électronique de puissance avancée ne fera que croître. La technologie GaN est idéalement positionnée pour répondre à cette demande, offrant des performances, une efficacité et une fiabilité supérieures par rapport aux dispositifs traditionnels en silicium. Que ce soit pour alimenter les moteurs qui entraînent les mouvements des robots, les capteurs leur permettant de percevoir et de naviguer dans leur environnement, ou les systèmes IA qui contrôlent leurs actions, le GaN est la clé pour débloquer tout le potentiel des robots humanoïdes. Les avancées continues dans la technologie GaN garantissent le développement de robots humanoïdes plus efficaces, fiables et capables que jamais.
Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].