使用eGaN FET和IC賦予手術(shù)機(jī)器人精確控制能力

麥姆斯咨詢整理了宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）首席執(zhí)行官Alex Lidow公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于GaN功率器件原理、應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)的理解，為讀者奉獻(xiàn)一系列文章。在本系列文章中，將討論一些新興應(yīng)用如何利用GaN功率器件的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品差異化。

使用eGaN FET和IC賦予手術(shù)機(jī)器人精確控制能力

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(shí)現(xiàn)許多新應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛車輛的激光雷達(dá)（LiDAR）、5G通信的包絡(luò)跟蹤、家居和辦公區(qū)域的無(wú)線充電。在這篇文章中，將重點(diǎn)討論氮化鎵（GaN）功率器件是如何賦予手術(shù)機(jī)器人精確控制能力，從而為醫(yī)學(xué)界帶來(lái)變革。

圖1：無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，機(jī)器人輔助手術(shù)幫助醫(yī)生更精確、更靈活、更可控地完成多種復(fù)雜手術(shù)。到2025年，全球手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò)915億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為10.4%，醫(yī)療自動(dòng)化和采用更先進(jìn)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)已是未來(lái)的趨勢(shì)。

如今，機(jī)器人手術(shù)通常用于微創(chuàng)手術(shù)。微創(chuàng)手術(shù)使用外科機(jī)器人，讓外科醫(yī)生的手術(shù)精度控制能力大大提升，從而減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，降低病人創(chuàng)傷面積，康復(fù)時(shí)間大大縮短。

機(jī)器人需要許多電機(jī)來(lái)控制各種附件，如手臂、關(guān)節(jié)和工具控制，保證手術(shù)機(jī)器人具有必要的自由度（DOF）和靈活性，以執(zhí)行極其精細(xì)的手術(shù)任務(wù)。電機(jī)控制電路的重量和尺寸直接影響手術(shù)機(jī)器人附件的尺寸，因此是設(shè)計(jì)此類機(jī)器人的重要因素。

用于手術(shù)機(jī)器人的電機(jī)

三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)是機(jī)器人輔助手術(shù)的首選。BLDC電機(jī)額定功率小，控制精確，機(jī)電效率高，通過(guò)適當(dāng)控制實(shí)現(xiàn)振動(dòng)最小化。電機(jī)的電壓范圍在24~48V之間，平衡了功率導(dǎo)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(jī)由逆變電路驅(qū)動(dòng)，大多數(shù)情況下是三相的，傳統(tǒng)上使用金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。由于增強(qiáng)型氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（eGaN FET）的開(kāi)關(guān)速度大大快于MOSFET，有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)出在更高頻率下工作的逆變器，從而實(shí)現(xiàn)更高的電氣效率和更高的定位精度。

運(yùn)行在更高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)，包括但不限于提高電機(jī)的控制帶寬。這提高了電機(jī)控制的精度。此外，頻率更高能降低甚至消除機(jī)械振動(dòng)，這是提高控制精度的關(guān)鍵因素。

為了減少或防止電機(jī)運(yùn)行在較高頻率時(shí)發(fā)熱，可以增加尺寸緊湊的濾波器。濾波器給系統(tǒng)增加的損耗微不足道。與使用MOSFET設(shè)計(jì)的系統(tǒng)相比，這種設(shè)計(jì)的機(jī)電效率和性能更佳。此外，能確保產(chǎn)生較低的電磁干擾，使系統(tǒng)更容易符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

電機(jī)的尺寸和功率將因應(yīng)用場(chǎng)景和任務(wù)不同而異。例如，操縱機(jī)械臂需要高功率電機(jī)，操作小型精密工具則需要低功率電機(jī)。

適用于手術(shù)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的eGaN FET和IC

典型的逆變器由三個(gè)半橋組成，每個(gè)半橋的輸出分別與電機(jī)的每一相連接，如圖2所示。理想情況下，F(xiàn)ET的開(kāi)關(guān)使用多種脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)和正弦調(diào)制，使振動(dòng)達(dá)到最小化。由于重量和尺寸的限制，以及芯片級(jí)eGaN FET封裝的熱效率，無(wú)需散熱裝置對(duì)逆變器的FET進(jìn)行冷卻。

圖2：典型的帶濾波器的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)

由于電機(jī)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(jù)功率要求，直流電路可以低至1A，也能高達(dá)60A。不論額定電流或額定電壓，圖2所示的基本驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和操作都是相同的。

在40V~100V的電壓范圍內(nèi)，?eGaN FET的開(kāi)關(guān)品質(zhì)因數(shù)（FOM）優(yōu)于MOSFET三至四倍，適用于外科手術(shù)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。基于eGaN FET的驅(qū)動(dòng)器能夠以更高的效率和頻率運(yùn)行，因此精度更高。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有大量分立eGaN FET選擇來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中電機(jī)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(jí)單片集成。這一特點(diǎn)對(duì)手術(shù)操作工具的小型電機(jī)尤為有用。

除了在外科手術(shù)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)以外，對(duì)eGaN FET進(jìn)行的跟蹤記錄顯示器性能可靠，已有多顆器件通過(guò)AEC認(rèn)證。

圖3：適用于手術(shù)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)的eGaN FET和IC

總結(jié)

GaN正在對(duì)醫(yī)學(xué)界產(chǎn)生變革……將精準(zhǔn)控制引入機(jī)器人輔助手術(shù)。外科醫(yī)生指導(dǎo)機(jī)器人提高手術(shù)精度，并在許多情況下以最小的侵入性訪問(wèn)病人。機(jī)器人手術(shù)包括使用超可靠、高性能BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制多個(gè)緊湊手術(shù)臂。BLDC電機(jī)的體積功率比小，是手術(shù)機(jī)器人的最佳選擇。

這些手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)需要高效率、最小振動(dòng)和精確控制的電極。eGaN FET和IC是正弦調(diào)制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的理想器件，效率和工作頻率較高。eGaN FET和IC用于電機(jī)控制電路，精度更高，驅(qū)動(dòng)電機(jī)更緊湊。這種組合讓設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)出比MOSFET更緊湊、靈活性更高的手術(shù)機(jī)器人。