Los robots humanoides están saliendo del laboratorio y entrando en la producción en serie, mientras los robots de servicio y colaborativos se extienden por entornos industriales, comerciales y domésticos. Dentro de cualquiera de estas máquinas, los semiconductores de potencia actúan como músculos y nervios: definen el rendimiento del movimiento, la eficiencia energética y la seguridad del sistema. Entre ellos, el SGT MOSFET (MOSFET de trinchera de puerta blindada) se ha convertido en el dispositivo de potencia central más utilizado en los sistemas de baja y media tensión de 48V / 60V / 72V de los robots, gracias a su combinación de baja RDS(on), bajas pérdidas de conmutación y alta densidad de potencia.

1. SGT MOSFET: una opción preferente para dispositivos de potencia de baja y media tensión

Los MOSFET SGT (Shielded Gate Trench) introducen un electrodo blindado bajo la puerta de un MOSFET de trinchera convencional. Esa estructura reduce al mismo tiempo la capacitancia puerta-drenador (Cgd) y la resistencia de encendido (RDS(on)), a la vez que mejora la capacidad de tensión del dispositivo.

En comparación con los MOSFET de potencia convencionales, los SGT MOSFET ofrecen cuatro ventajas fundamentales:

• Menor resistencia de encendido: en la misma área de die, RDS(on) puede reducirse entre un 30% y un 50%, lo que disminuye las pérdidas de conducción y eleva la eficiencia del sistema.
• Conmutación más rápida: la carga de puerta Qg y la carga puerta-drenador Qgd disminuyen de forma significativa, lo que mantiene bajas las pérdidas de conmutación: una combinación ideal para el control PWM de alta frecuencia.
• Mayor densidad de potencia: los encapsulados pequeños pueden soportar corrientes elevadas, lo que encaja en el espacio reducido de las articulaciones del robot y de los compartimentos de batería.
• Amplia cobertura de tensión: la plataforma madura de 20V–150V cubre los niveles de bus de 48V / 60V / 72V que suelen utilizarse en robots.

En conjunto, estas características convierten a los SGT MOSFET en una elección ideal para los sistemas de potencia de baja y media tensión de los robots.

2. Dos escenarios de aplicación principales en robots humanoides

2.1 Accionamiento del motor de articulación: seis MOSFET por motor

Un robot humanoide incorpora decenas de articulaciones de alta dinámica, y cada articulación necesita su propio accionamiento de motor de alto rendimiento. Las articulaciones suelen accionarse mediante motores de CC sin escobillas (BLDC) o motores síncronos de imán permanente (PMSM), y cada motor se controla con un inversor trifásico de puente completo: un SGT MOSFET en cada posición de lado alto y lado bajo, seis dispositivos por motor. La topología es la siguiente:

Figura 1: Topología de puente completo trifásico: cada motor de articulación se acciona con seis SGT MOSFET, uno de lado alto y uno de lado bajo por fase.

El accionamiento del motor de articulación afronta tres retos de ingeniería al mismo tiempo:

• Alta frecuencia, alta eficiencia: para ofrecer un par suave y una respuesta dinámica rápida, los accionamientos de articulación conmutan a 20 kHz–50 kHz, por lo que los dispositivos de potencia deben mantener bajas las pérdidas de conmutación y comportarse de forma estable a alta frecuencia.
• Restricciones de espacio y térmicas: el accionamiento se aloja dentro del módulo de articulación, donde el área de PCB es sumamente limitada, y el calor generado por las elevadas corrientes del motor debe disiparse desde un volumen muy pequeño.
• Régimen dinámico complejo: caminar, girar, detenerse y transportar cargas hacen oscilar la corriente del motor en un rango amplio; los arranques, paradas y sobrecargas frecuentes ponen a prueba la fiabilidad del dispositivo.

En este escenario, las ventajas de los SGT MOSFET responden directamente a los requisitos:

• Las pérdidas de conducción se reducen directamente: con corriente elevada continua, el dispositivo se calienta menos, lo que eleva la eficiencia energética y facilita el diseño térmico de la articulación.
• Un Qg y Qgd bajos favorecen el PWM de alta frecuencia: las pérdidas de conmutación se mantienen bajo control a 20 kHz–50 kHz y más allá, lo que ayuda al bucle FOC a ofrecer un par más fino y un menor rizado de corriente.
• El encapsulado de alta densidad se adapta a la articulación: encapsulados avanzados como DFN5×6 —incluidas las versiones DFN5×6-DSC con enfriamiento por ambas caras— soportan la máxima corriente y ofrecen la mejor ruta térmica con una huella de PCB mínima, en línea con los objetivos de formato reducido y bajo peso del accionamiento.
• Cualificado para un servicio exigente: los SGT MOSFET validados mediante pruebas de avalancha, pruebas de resistencia térmica y pruebas de envejecimiento soportan los arranques frecuentes, las sobrecargas transitorias y la vibración típicos del funcionamiento del robot.

2.2 Protección Li-ion y BMS: el MOSFET en la ruta principal de corriente

Los robots suelen funcionar con paquetes de baterías de litio de 48V o 60V que alimentan cada motor de articulación, controlador, sensor y módulo de comunicación. Las celdas de litio son densas en energía pero sensibles a la tensión, la corriente y la temperatura, por lo que se requiere un sistema de gestión de batería (BMS) completo y un circuito de protección de potencia.

Las funciones de protección principales —protección contra sobrecarga, protección contra sobredescarga, protección contra sobrecorriente de carga y descarga, protección contra cortocircuitos, protección contra polaridad inversa y precarga durante el encendido— se ejecutan todas con MOSFET de potencia.

Figura 2: Topología típica de protección de batería: los SGT MOSFET se conectan en serie con la ruta principal de corriente de la batería y ejecutan cada acción de protección.

A diferencia del accionamiento de motores, los MOSFET de protección de batería permanecen en serie con la ruta principal de corriente de la batería y soportan de forma continua toda la corriente de funcionamiento de la máquina. Por ello, RDS(on) se convierte en el parámetro decisivo para esta función: cada miliohmio que se elimina significa más autonomía y menos calor.

En la protección de baterías, el valor de los SGT MOSFET se concentra en cuatro puntos:

• Resistencia de encendido de clase mΩ: los procesos SGT logran una RDS(on) de tan solo 0.55 mΩ (valor típico); con decenas de amperios de corriente continua, la pérdida de conducción en el bucle de la batería se reduce al mínimo, lo que se traduce directamente en autonomía y menor presión térmica.
• Alta tolerancia a avalancha y cortocircuito: los eventos anómalos, como cortocircuitos y picos de tensión, exigen suficiente capacidad de energía de avalancha (UIS), de modo que el dispositivo resista las sobretensiones transitorias antes de que la protección se active, sin fallar de un modo que inutilice la propia protección.
• Plataformas de tensión maduras con margen: con buses de batería de 48V / 60V, los SGT MOSFET están disponibles en las clases de 60V, 80V y 100V, de modo que los diseñadores pueden equilibrar costo y fiabilidad con un margen razonable de derrateo de tensión.
• Bajas pérdidas y bajo calentamiento para una estabilidad a largo plazo: los MOSFET de protección trabajan en el bucle principal año tras año; unas pérdidas bajas implican un aumento de temperatura menor, lo que prolonga la vida del dispositivo y la fiabilidad global del sistema de batería.

2.3 Accionamiento de articulación frente a protección de batería: cómo cambian las prioridades de selección

El accionamiento del motor de articulación y la protección de la batería son dos aplicaciones centrales de los SGT MOSFET, pero los dos escenarios funcionan de forma distinta y exigen prioridades diferentes. La tabla siguiente compara las dimensiones clave de selección:

Figura 3: Prioridades de selección para los dos escenarios: Qg/Qgd, pérdidas de conmutación y consistencia dinámica para el accionamiento de articulación; RDS(on) ultrabaja y robustez frente a avalancha para la protección de batería.

3. ¿Cuántos SGT MOSFET utiliza un robot?

Un robot humanoide convencional actual (incluidas las manos diestras) tiene aproximadamente 40–50 motores de articulación. Si se cuenta solo la función de accionamiento de articulación, un robot utiliza entre 200 y 350 SGT MOSFET; al incluir los dispositivos en paralelo para articulaciones de alto par y los circuitos de descarga del freno, el uso relacionado con el accionamiento de motores alcanza las 250–400 piezas por robot. La estimación siguiente desglosa el total por subsistema:

Figura 4: Estimación de SGT MOSFET por robot: los accionamientos de articulación y las manos diestras dominan el recuento, a los que se suman la protección BMS y la descarga del freno.

4. Soluciones SGT MOSFET de NCE para diseños de robots

La plataforma de tensión de los SGT MOSFET actuales abarca de 25V a 200V, con productos maduros en los grados de 40V, 60V, 80V y 100V, los más utilizados en robótica: una matriz completa que va de decenas de amperios a varios cientos de amperios. Esta gama forma parte de nuestra gama de productos NCE, y la línea más amplia de transistores de potencia cubre etapas de potencia adyacentes.

Toda la serie utiliza encapsulados de la familia DFN, y determinadas corrientes nominales admiten enfriamiento por ambas caras, lo que combina una inductancia parásita ultrabaja con una mejor disipación de calor. La tabla siguiente enumera los SGT MOSFET principales adaptados a aplicaciones robóticas:

Figura 6: Tabla de selección de SGT MOSFET principales para diseños de robots: grados de tensión, corrientes nominales, Vth y RDS(on) de un vistazo.

Figura 7: Familias de encapsulados: contornos DFN3.3×3.3, DFN5×6 y TSC5×7, incluidas las versiones DSC con enfriamiento por ambas caras.

Para las plataformas robóticas, los SGT MOSFET son una familia de dispositivos poco común que atiende ambos extremos del tren de potencia a la vez: accionamiento eficiente y de bajas pérdidas en cada articulación, y protección fiable en el bucle de la batería. Con un portafolio de 25V–200V, encapsulados DFN y una validación completa de avalancha, térmica y envejecimiento, diseñar ambas funciones en torno a una misma familia de MOSFET cualificada acorta la calificación y simplifica el BOM.

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