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。

使用eGaN FET和IC賦予手術機器人精確控制能力

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。

圖1：無刷直流（BLDC）電機

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?；趀GaN 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。