eGaN FETs 和 ICs 為手術機器人帶來精確控制 技術分享雜談GaN技術 – Michael de Rooij, Ph.D. 十一月 14, 2018 使用手術機器人的微創手術為尋求更高精度的外科醫生提供了前所未有的控制能力，從而減少了患者的風險和創傷，加速了康復過程。為了控制各種機器人附屬裝置，如手臂、關節和工具控制，需要許多電機來賦予手術機器人所需的自由度（DOF）和靈活性，以執行極其精細的操作。因此，電機控制電路的重量和尺寸是這類機器人設計中的重要因素，因為它們直接影響手術過程中操縱機器人附屬裝置的電機的尺寸。 機器人手術選擇的電機是三相無刷直流（BLDC）電機。這些電機在其功率等級上非常緊湊，可以精確控制，提供高電機械效率，在正確控制下可以實現最小振動。電機電壓的選擇範圍在24 V到48 V之間，平衡功率導體厚度和重量與絕緣厚度和剛度是最佳性能和靈活性的決定因素。 這些電機由逆變器電路驅動，這些電路在大多數情況下是三相的，傳統上使用MOSFET。隨著eGaN FET的出現，這些FET開關速度遠快於MOSFET，現在可以設計出在更高頻率下運行的逆變器，這可以提供更高的電效率。 能夠在更高的運行頻率下運行具有許多好處，包括但不限於增加電機的控制帶寬，這提高了控制電機的精度。此外，更高的頻率減少或甚至消除了機械振動，這對於利用更高的控制精度至關重要。 資料來源：Globalsources.com 無刷直流（BLDC）電機 為了防止電機在高頻運行時過熱，可以添加一個緊湊的濾波器，該濾波器對系統的損耗幾乎可以忽略不計。這種組合仍然比使用MOSFET設計的系統提供更優越的電機械效率和性能，此外，還能確保產生較低的EMI，使其更容易符合監管標準。 電機的尺寸和功率等級將根據位置和分配的任務而變化，例如，需要更高功率的電機來操縱手臂，而需要低功率的電機來操作小型精密工具。因此，電機的功率等級直接影響為電機供電的逆變驅動器的功率等級。 手術機器人電機驅動的eGaN FET 典型的逆變器由三個半橋組成，每個輸出連接到電機的一相，如圖3所示。理想情況下，FET使用PWM技術切換，並進行正弦調制以最小化振動。由於重量和尺寸的限制，不應使用散熱器來冷卻逆變器的FET。 鑑於電機電壓等級在24 V到48 V之間，eGaN FET的VDS等級可以選擇在40 V和100 V範圍內。根據功率需求，連續電流等級可以低至1 A，高達60 A。無論電流或電壓等級如何，基本的驅動拓撲和操作保持不變。 eGaN FET非常適合用於手術機器人電機驅動，因為其硬開關性能指標（FOM）在40 V至100 V的電壓範圍內比MOSFET低三到四倍。這使得基於eGaN FET的驅動器可以在更高效率和更高頻率下運行，從而具有更高的精度。 圖3：典型的帶濾波器的三相電機驅動 圖4：適用於手術機器人電機的eGaN FET 電機驅動可以基於大量的分立eGaN FET選項來實現，如表1所示，電機功率等級決定了FET的電流等級。eGaN FET相對於MOSFET的一個好處是，活性元件的面積減小，包括功率級的單片集成。這一特性對於操作工具的非常小型電機特別有用。表2中列出了一些單片集成的eGaN FET選項。 每個eGaN FET都可以購買半橋開發套件。這些開發套件可以用於快速組裝電機驅動器，以進行性能評估。 eGaN FET已經證明了其可靠性，並通過包含AEC合格的零部件得到了支持。 表1：手術電機驅動用的分立eGaN FET 型號 配置 VDS最大值 V RDS(on)最大值 mΩ @5VGS ID A持續 EPC8004 單通道 40 110 4 EPC2014C 單通道 40 16 10 EPC2049 單通道 40 5 16 EPC2015C 單通道 40 4 53 EPC2030 單通道 40 2.4 48 EPC2024 單通道 40 1.5 90 EPC2035 單通道 60 45 1.7 EPC2031 單通道 60 2.6 48 EPC2020 單通道 60 2.2 90 EPC8002 單通道 65 480 2 EPC8009 單通道 65 130 4 EPC2039 單通道 80 25 6.8 EPC2029 單通道 80 3.2 48 EPC2021 單通道 80 2.5 90 EPC2037 單通道 100 550 1.7 EPC8010 單通道 100 160 4 EPC2036 單通道 100 73 1.7 EPC2007C 單通道 100 30 6 EPC2051 單通道 100 25 1.7 EPC2016C 單通道 100 16 18 EPC2001C 單通道 100 7 36 EPC2045 單通道 100 7 16 EPC2032 單通道 100 4 48 EPC2022 單通道 100 3.2 90 EPC2203 AEC單通道 80 80 1.7 EPC2212 AEC單通道 100 13.5 18 表2：手術電機驅動用的單片集成eGaN FET 型號 配置 VDS最大值 V RDS(on)最大值 mΩ @5VGS ID A持續 EPC2107 雙通道帶同步引導 100 390 1.7 EPC2108 雙通道帶同步引導 60 240 1.7 EPC2106 半橋 100 70 1.7 EPC2104 半橋 100 6.8 30 EPC2103 半橋 80 5.5 30 EPC2102 半橋 60 4.9 30 總結 由於其小尺寸和功率比，BLDC電機是手術機器人的最佳選擇。eGaN FET是正弦調製電機驅動的理想器件，因為它們具有更高的效率和更高的運行頻率。使用於電機控制電路中的eGaN FET提供了更高的精度，並使電機驅動更加緊湊。這一組合使設計人員能夠設計出更緊湊且比MOSFET解決方案更靈活的手術機器人。 Tags: BLDCeGaNGaN FETMotion ControlMotor DriveRobots Michael de Rooij, Ph.D., Vice President, Applications Engineering