【应用】eGaN FETs用于外科手术机器人的BLDC电动机，具有更快频率和更高精度

时间： 2019-10-17 来源：EPC

技术问答

使用外科手术机器人的微创手术可为希望达到更高精确度的外科医生提供前所未有的控制，从而降低了患者的风险和创伤，并加快了康复速度。由于需要许多电动机来控制各种机器人附件，因此电动机控制电路的重量和尺寸是此类机器人设计中的重要因素，因为它们会直接影响手术过程中操纵机器人附件的电动机的尺寸。

图1.BLDC电动机

外科手术机器人的首选电动机是三相无刷直流（BLDC）电动机。这些电动机的额定功率紧凑，可以进行精确控制，具有很高的机电效率，并且在适当控制的情况下以最小的振动运行。电动机电压的选择范围是24 V至48 V，其中功率导体的厚度和重量要平衡，绝缘层的厚度和刚度要达到最佳性能，灵巧性则是一个决定性的因素。

这些电机由通常使用MOSFET的三相逆变器电路驱动。随着开关速度比MOSFET快得多的eGaN FET的出现，现在可以将逆变器设计为以更高的频率工作，从而可以提供更高的电效率。

能够以更高的工作频率运行具有许多好处，包括但不限于增加电动机的控制带宽。这增加了可以控制电动机的精度。另外，较高的频率减少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。

为了防止在较高频率下运行时电机发热，可以添加紧凑型滤波器，从而对系统造成的损失可以忽略不计。与使用MOSFET设计的系统相比，这种结合仍可产生出众的机电效率和性能，此外还可以确保降低EMI产生，使其更容易符合法规标准。

电动机的大小和额定功率将根据位置和分配的任务而变化，例如，需要较高功率的电动机来操作手臂，而需要低功率的电动机来操作小型精密工具。因此，电动机的额定功率直接影响为电动机供电的逆变器驱动器的额定功率。

用于外科手术机器人电动机驱动器的eGaN FETs

典型的逆变器由三个半桥组成，每个输出连接到BLDC电动机的一个相，如下图所示。理想情况下，FET使用PWM技术进行开关并进行正弦调制以最大程度地减少振动。由于重量和尺寸的限制，不得使用散热器来冷却逆变器的FET。

图2.典型的三相带滤波器电动机驱动器

假设电机额定电压在24 V至48 V之间，则eGaN FET V_DS额定值可以在40 V至100 V的范围内选择。根据功率要求，连续电流额定值范围可低至1A，高至60A。无论额定电流还是额定电压，基本的驱动器拓扑和操作都保持不变。

eGaN FET非常适合用于外科手术机器人的电动机驱动器，因为其卓越的硬开关品质因数（FOM）在40 V至100 V的电压范围内比MOSFET低三到四倍。这使得基于eGaN FET的驱动能够以更高的效率和更高的频率运行，因此具有更高的精度。

图3.适用于外科手术机器人BLDC电动机的eGaN FETs

如表1所示，可以基于EPC公司大量的分立式eGaN FET来实现电机驱动，其中电机额定功率决定了FET的电流额定值。 eGaN FET优于MOSFET的一个好处是减小了有源器件的面积，其中包括功率级的单片集成。此功能对于操纵工具的超小型电机特别有用。对于每个eGaN FET，都可以购买一个半桥开发套件。这些开发套件可用于快速组装用于性能评估的电机驱动器。 eGaN FET具有可靠的可靠性历史记录，并通过包含AEC合格部件得到支持。

表1.用于外科手术电机驱动器的分立式eGaN FET

总结

BLDC电机体积小，功率比高，是外科手术机器人的最佳选择。 eGaN FET具有更高的效率和更高的工作频率，是正弦调制电机驱动器的理想设备。电机控制电路中使用的eGaN FET具有更高的精度，并可以为电机提供更紧凑的驱动。这种结合使设计人员可以设计比MOSFET等效解决方案更紧凑、灵活性更高的外科手术机器人。

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hghee Lv8. 研究员 2019-12-21

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