宜普电源（EPC）谈GaN功率器件技术及应用（四）：手术机器人
2019-11-09 16:16:33 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
GaN正在对医学界产生变革，将精准控制引入机器人辅助手术。外科医生指导机器人提高手术精度，并在许多情况下以最小的侵入性访问病人。机器人手术包括使用超可靠、高性能BLDC电机驱动系统控制多个紧凑手术臂。BLDC电机的体积功率比小，是手术机器人的最佳选择。
【编者按】麦姆斯咨询整理了宜普电源转换公司（EPC）首席执行官Alex Lidow公开发表的关于GaN功率器件原理、应用及优势的理解，为读者奉献一系列文章。在本系列文章中，将讨论一些新兴应用如何利用GaN功率器件的优势实现终端产品差异化。
使用eGaN FET和IC赋予手术机器人精确控制能力
在本系列中，我们讨论了低压硅上氮化镓（GaN-on-silicon）功率器件如何实现许多新应用，如自动驾驶车辆的激光雷达（LiDAR）、5G通信的包络跟踪、家居和办公区域的无线充电。在这篇文章中，将重点讨论氮化镓（GaN）功率器件是如何赋予手术机器人精确控制能力，从而为医学界带来变革。
图1：无刷直流（BLDC）电机
与传统技术相比，机器人辅助手术帮助医生更精确、更灵活、更可控地完成多种复杂手术。到2025年，全球手术机器人市场预计将超过915亿美元，复合年增长率为10.4%，医疗自动化和采用更先进机器人进行手术已是未来的趋势。
如今，机器人手术通常用于微创手术。微创手术使用外科机器人，让外科医生的手术精度控制能力大大提升，从而减少手术风险，降低病人创伤面积，康复时间大大缩短。
机器人需要许多电机来控制各种附件，如手臂、关节和工具控制，保证手术机器人具有必要的自由度（DOF）和灵活性，以执行极其精细的手术任务。电机控制电路的重量和尺寸直接影响手术机器人附件的尺寸，因此是设计此类机器人的重要因素。
用于手术机器人的电机
三相无刷直流（BLDC）电机是机器人辅助手术的首选。BLDC电机额定功率小，控制精确，机电效率高，通过适当控制实现振动最小化。电机的电压范围在24~48V之间，平衡了功率导体的厚度、重量与绝缘体的厚度、刚度，这些都是获得最佳性能和灵活性的决定因素。
BLDC电机由逆变电路驱动，大多数情况下是三相的，传统上使用金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。由于增强型氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）的开关速度大大快于MOSFET，有机会设计出在更高频率下工作的逆变器，从而实现更高的电气效率和更高的定位精度。
运行在更高的开关频率会带来诸多优势，包括但不限于提高电机的控制带宽。这提高了电机控制的精度。此外，频率更高能降低甚至消除机械振动，这是提高控制精度的关键因素。
为了减少或防止电机运行在较高频率时发热，可以增加尺寸紧凑的滤波器。滤波器给系统增加的损耗微不足道。与使用MOSFET设计的系统相比，这种设计的机电效率和性能更佳。此外，能确保产生较低的电磁干扰，使系统更容易符合监管标准。
电机的尺寸和功率将因应用场景和任务不同而异。例如，操纵机械臂需要高功率电机，操作小型精密工具则需要低功率电机。
适用于手术机器人的电机驱动的eGaN FET和IC
典型的逆变器由三个半桥组成，每个半桥的输出分别与电机的每一相连接，如图2所示。理想情况下，FET的开关使用多种脉冲宽度调制（PWM）技术和正弦调制，使振动达到最小化。由于重量和尺寸的限制，以及芯片级eGaN FET封装的热效率，无需散热装置对逆变器的FET进行冷却。
图2：典型的带滤波器的三相电机驱动
由于电机的额定电压在24V~48V之间，eGaN FET的漏源极电压Vds的选择范围在40V~100V范围。根据功率要求，直流电路可以低至1A，也能高达60A。不论额定电流或额定电压，图2所示的基本驱动器拓扑结构和操作都是相同的。
在40V~100V的电压范围内， eGaN FET的开关品质因数（FOM）优于MOSFET三至四倍，适用于外科手术机器人的电机驱动器。基于eGaN FET的驱动器能够以更高的效率和频率运行，因此精度更高。
电机驱动器有大量分立eGaN FET选择来进行设计，其中电机功率决定了FET电流的额定值。与MOSFET相比，eGaN FET还能减少有源器件面积，包括功率级单片集成。这一特点对手术操作工具的小型电机尤为有用。
除了在外科手术应用中的优势以外，对eGaN FET进行的跟踪记录显示器性能可靠，已有多颗器件通过AEC认证。
图3：适用于手术机器人电机驱动的eGaN FET和IC
总结
GaN正在对医学界产生变革……将精准控制引入机器人辅助手术。外科医生指导机器人提高手术精度，并在许多情况下以最小的侵入性访问病人。机器人手术包括使用超可靠、高性能BLDC电机驱动系统控制多个紧凑手术臂。BLDC电机的体积功率比小，是手术机器人的最佳选择。
这些手术机器人系统需要高效率、最小振动和精确控制的电极。eGaN FET和IC是正弦调制电机驱动的理想器件，效率和工作频率较高。eGaN FET和IC用于电机控制电路，精度更高，驱动电机更紧凑。这种组合让设计师能够设计出比MOSFET更紧凑、灵活性更高的手术机器人。
延伸阅读：
《硅上氮化镓（GaN-on-Silicon）晶体管对比分析-2018版》
《EPC增强型GaN-on-Silicon功率晶体管：EPC2045》
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