GaN的功率与演变——第4部分

日期:2019-01-19
 
作者:Alex Lidow,EPC首席执行官兼共同创始人
 
日期:12/31/2018
 
类别:氮化镓(GaN)、大功率、集成电路(IC)、激光雷达、MOSFET和功率MOSFET、传感器、无线电源
标签:@PSD技术#EPC高效功率转换#GaN
 
6部分系列之第4部分
 
图1:手术机器人
利用eGaN® FET和IC为外科机器人带来精确控制
在这一系列中,讨论了硅上氮化镓(GaN)优越的开关速度如何实现了许多新的应用。这些应用正在改变一些行业,如自动车辆的光探测和测距((LiDAR)、5G通信的包络跟踪,以及家庭和办公室的大表面积无线电源。本文研究了氮化镓功率器件如何通过对外科机器人进行精确控制来改变医学。
与传统技术相比,机器人辅助手术使医生能够以更高的精度、灵活性和控制力执行多种复杂的手术[1]。随着医疗自动化的需求和更先进的机器人手术的趋势正在加快,全球外科机器人市场预计到2025年将超过915亿美元,复合平均增长率为10.4%[2]。
今天,机器人手术通常与微创手术有关。使用手术机器人进行的微创手术为寻求达到手术精度的外科医生提供了前所未有的控制,从而降低了患者的风险和创伤,并加快了恢复速度。
人们需要许多电机来控制各种机器人附件,如手臂、关节,而工具控制可以使手术机器人获得必要的自由度(DOF)和灵活性,从而执行极其精细的手术任务。因此,电机控制电路的重量和尺寸是设计此类机器人的重要因素,因为它们直接影响在手术期间操纵机器人附件的电机尺寸。
机器人手术用电动机
三相无刷直流(BLDC)电机是机器人辅助手术的首选电机。对于额定功率来说这些电机很紧凑,可以进行精确控制,提供高机电效率,如果控制得当,可以在最小振动下运行。电机电压的选择范围为24 V至48 V,并具有平衡的电源导线厚度和重量,而刚度是最佳性能和灵活性是决定因素。
这些无刷直流电机是由逆变器电路驱动的,在大多数情况下是三相的,传统上使用MOSFET。由于eGaN FET的开关比MOSFET快得多,因此现在可以设计逆变器在更高的频率下工作,从而提供更高的电效率和更高的定位精度。
 
图2:无刷直流(BLDC)电机
(来源:Globalsources.com)
 
能够在更高的开关频率下运行有许多好处,包括但不限于增加电机的控制带宽。这提高了电机的控制精度。此外,较高的频率降低甚至消除了机械振动,这对于能够利用较高的控制精度至关重要。
为了减少甚至防止在高频率运行时电机发热,可以添加一个紧凑的滤波器。这些滤波器只为系统增加了可忽略不计的损耗。这种组合仍然比使用MOSFET设计的系统具有更高的机电效率和性能。此外,这种组合确保了产生更低的电磁干扰,使系统更容易符合监管标准。
电机尺寸和额定功率将根据位置和分配的任务而变化。例如,操作手臂需要更大功率的电机,而操作小型精密工具需要更小功率的电机。
用于外科机器人电机驱动用eGaN FET和集成电路
典型的逆变器由三个半桥组成,每个半桥的输出都连接到电机的一个相位,如图3所示。理想情况下,FET采用脉宽调制(PWM)技术进行开关,并进行正弦调制,以将振动降至最低。由于重量和尺寸限制,以及芯片级eGaN FET封装的热效率,不需要散热片来冷却逆变器的FET。
 
图3:带滤波器的典型三相电机驱动
 
考虑到电机电压额定值介于24 V和48 V之间,可在40 V和100 V范围内选择eGaN FET VDS额定值。根据功率要求,连续电流额定值可低至1 A至高达60 A。无论额定电流或额定电压如何,图3所示的基本驱动拓扑结构和操作都保持不变。
eGaN FET非常适合用于外科机器人电机驱动,因为在电压范围40 V至100 V时,其优越的硬开关性能(FOM)比MOSFET低3至4倍。这种更好的FOM使基于eGaN FET的驱动能够以更高的效率和更高的频率运行,因此具有更高的预处理能力。
电机驱动可根据大量分立式eGaN FET选项进行设计,其中电机功率额定值决定FET电流额定值。与MOSFET相比,相比MOSFET,eGaN FET的另一个好处是缩小了有源器件的面积,包括功率级的单片集成。此功能对于操作手术工具的非常小的电机特别有用。
除了其在该应用中的卓越性能外,eGaN FET还具有经验证的可靠性跟踪记录,该记录支持包含符合AEC标准的部件。
 
图4:适用于外科机器人电机驱动的eGaN FET和IC
 
总结
氮化镓正在改变医疗程序,给机器人辅助手术带来精确的控制。外科医生引导的机器人提高了外科手术的精确性,在许多情况下,对病人的侵入性要求很小。机器人手术涉及使用超可靠、高性能无刷(BLDC)级电机驱动系统来控制多个紧凑型手术臂。无刷直流电机由于体积功率比小,是外科机器人的最佳选择。
这些机器人手术系统需要一个高效、振动最小和精确控制的电机。eGaN FET和集成电路具有更高的效率和更高的工作频率,是正弦调制电机驱动的理想器件。在电机控制电路中使用的eGaN FET和集成电路可产生更高的精度,从而使电机的驱动更加紧凑。这种组合使设计人员能够设计出比MOSFET等效解决方案更紧凑、更灵活的外科机器人。
宜普电源转换公司(EPC)
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