麥姆斯咨詢整理了宜普電源轉換公司(EPC)首席執行官Alex Lidow公開發表的關于GaN功率器件原理、應用及優勢的理解,為讀者奉獻一系列文章。在本系列文章中,將討論一些新興應用如何利用GaN功率器件的優勢實現終端產品差異化。
在本系列中,我們討論了低壓硅上氮化鎵(GaN-on-silicon)功率器件如何實現許多新應用,如自動駕駛車輛的激光雷達(LiDAR)、5G通信的包絡跟蹤、家居和辦公區域的無線充電。在這篇文章中,將重點討論氮化鎵(GaN)功率器件是如何賦予手術機器人精確控制能力,從而為醫學界帶來變革。
與傳統技術相比,機器人輔助手術幫助醫生更精確、更靈活、更可控地完成多種復雜手術。到2025年,全球手術機器人市場預計將超過915億美元,復合年增長率為10.4%,醫療自動化和采用更先進機器人進行手術已是未來的趨勢。
如今,機器人手術通常用于微創手術。微創手術使用外科機器人,讓外科醫生的手術精度控制能力大大提升,從而減少手術風險,降低病人創傷面積,康復時間大大縮短。
機器人需要許多電機來控制各種附件,如手臂、關節和工具控制,保證手術機器人具有必要的自由度(DOF)和靈活性,以執行極其精細的手術任務。電機控制電路的重量和尺寸直接影響手術機器人附件的尺寸,因此是設計此類機器人的重要因素。
用于手術機器人的電機
三相無刷直流(BLDC)電機是機器人輔助手術的首選。BLDC電機額定功率小,控制精確,機電效率高,通過適當控制實現振動最小化。電機的電壓范圍在24~48V之間,平衡了功率導體的厚度、重量與絕緣體的厚度、剛度,這些都是獲得最佳性能和靈活性的決定因素。
BLDC電機由逆變電路驅動,大多數情況下是三相的,傳統上使用金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。由于增強型氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)的開關速度大大快于MOSFET,有機會設計出在更高頻率下工作的逆變器,從而實現更高的電氣效率和更高的定位精度。
運行在更高的開關頻率會帶來諸多優勢,包括但不限于提高電機的控制帶寬。這提高了電機控制的精度。此外,頻率更高能降低甚至消除機械振動,這是提高控制精度的關鍵因素。
為了減少或防止電機運行在較高頻率時發熱,可以增加尺寸緊湊的濾波器。濾波器給系統增加的損耗微不足道。與使用MOSFET設計的系統相比,這種設計的機電效率和性能更佳。此外,能確保產生較低的電磁干擾,使系統更容易符合監管標準。
電機的尺寸和功率將因應用場景和任務不同而異。例如,操縱機械臂需要高功率電機,操作小型精密工具則需要低功率電機。
適用于手術機器人的電機驅動的eGaN FET和IC
典型的逆變器由三個半橋組成,每個半橋的輸出分別與電機的每一相連接,如圖2所示。理想情況下,FET的開關使用多種脈沖寬度調制(PWM)技術和正弦調制,使振動達到最小化。由于重量和尺寸的限制,以及芯片級eGaN FET封裝的熱效率,無需散熱裝置對逆變器的FET進行冷卻。
圖2:典型的帶濾波器的三相電機驅動
由于電機的額定電壓在24V~48V之間,eGaN FET的漏源極電壓Vds的選擇范圍在40V~100V范圍。根據功率要求,直流電路可以低至1A,也能高達60A。不論額定電流或額定電壓,圖2所示的基本驅動器拓撲結構和操作都是相同的。
在40V~100V的電壓范圍內,?eGaN FET的開關品質因數(FOM)優于MOSFET三至四倍,適用于外科手術機器人的電機驅動器。基于eGaN FET的驅動器能夠以更高的效率和頻率運行,因此精度更高。
電機驅動器有大量分立eGaN FET選擇來進行設計,其中電機功率決定了FET電流的額定值。與MOSFET相比,eGaN FET還能減少有源器件面積,包括功率級單片集成。這一特點對手術操作工具的小型電機尤為有用。
除了在外科手術應用中的優勢以外,對eGaN FET進行的跟蹤記錄顯示器性能可靠,已有多顆器件通過AEC認證。
圖3:適用于手術機器人電機驅動的eGaN FET和IC
總結
GaN正在對醫學界產生變革……將精準控制引入機器人輔助手術。外科醫生指導機器人提高手術精度,并在許多情況下以最小的侵入性訪問病人。機器人手術包括使用超可靠、高性能BLDC電機驅動系統控制多個緊湊手術臂。BLDC電機的體積功率比小,是手術機器人的最佳選擇。
這些手術機器人系統需要高效率、最小振動和精確控制的電極。eGaN FET和IC是正弦調制電機驅動的理想器件,效率和工作頻率較高。eGaN FET和IC用于電機控制電路,精度更高,驅動電機更緊湊。這種組合讓設計師能夠設計出比MOSFET更緊湊、靈活性更高的手術機器人。
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原文標題:宜普電源(EPC)談GaN功率器件技術及應用(四):手術機器人
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