氮化镓(GaN)技术将彻底改变家庭医疗保健市场的电源产品

最新更新时间:2022-08-12来源: EEWORLD作者: Andrew Bryars,产品经理 – XP Power关键字:氮化镓  GaN  医疗保健  电源 手机看文章 扫描二维码
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如今,我们越来越多地在医院、诊所或医生办公室等传统场所之外接受医疗护理和监测。这减轻了由于可用医疗程序增加和全球人口老龄化导致越来越多的老年人需要医疗服务而对临床空间造成的压力。


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图一

家庭医疗提供了更轻松的治疗体验,减轻了患者的压力和焦虑。新技术也使家庭医美应用成为可能。


在Covid-19大流行期间,由于缺乏可用床位,以及希望尽可能将Covid患者与更广泛的社区隔离,家庭医疗保健出现了显著增长。


随着更紧凑的设备和更大的连通性的出现,医疗团队可以进行远程监测,这一发展是在市场已经扩大的基础上进行的。据麦肯锡公司(McKinsey&Company)称,仅在美国,到2025年,目前在现场医疗设施提供的服务就可能转变为家庭环境,价值高达2.65亿美元。


其中,家庭监测、诊断和治疗设备占市场价值的一半以上,使其成为一个重要的和不断增长的市场。


为家庭医疗设备供电


随着最新的家庭医疗设备增加了其他功能,对电源提供更多功率的要求也越来越高。一些更新的产品已经可以通过外置电源获得更高的功率。


将电源安装在外部有几个优点。主要的好处是,安全绝缘对患者连接设备至关重要,而设备制造商无需担心,因为他们可以从电源专家那里获得预先批准的产品。


为了保持便携性和便利性,研发人员面临的挑战是,在没有明显大于其低功耗前身的模块中提供更高的功率级别。这一挑战的核心是功率密度和热管理,因为消除废热需要散热片等元器件,从而增加尺寸、重量和成本。


正如电源设计师所知,减少废热的方法是优化电源的运行效率。然而,使用硅基(Si)半导体可能无法实现所需的效率。


宽带隙技术


在紧凑型解决方案中提供更高功率级别的要求并不是家庭医疗保健所独有的。电动汽车和可再生能源解决方案的设计者(除其他外)面临着类似的挑战,并越来越多地转向所谓的宽带隙(WBG)技术,以克服硅的局限性。


“带隙”是指价带顶部和导带底部之间的能量差。在由碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)组成的器件中,该带隙明显更大,允许电源器件在更高的电压、温度和频率下工作。


在氮化镓器件中,击穿电压约为硅的30倍,允许更高的掺杂水平,从而降低漏极和源极之间的导通电阻(RDS(on)),从而减少传导损耗和相关的废热产生。

 

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图2:在当前使用的任何材料中,在给定击穿电压下,GaN提供了最低的导通电阻


半导体器件在开关过程中也会出现损耗,因为电流开始流动,而漏源极电压(VDS)仍然很高。然而,由于氮化镓器件可以更快地切换,与硅甚至碳化硅相比,这些损耗显著降低。


为了避免所谓的“击穿”情况,即在切换过程中产生短路,在半桥中的两个开关都关闭的情况下会产生死区时间。在此期间,电流继续流动。在硅器件中,电流流过体二极管,与没有体二极管的氮化镓器件相比,体二极管的损耗相对较高,因此电流流过(RDS(ON)。这样可以实现更高效的操作。


由于开关损耗较低,GaN基电源可以在更高的频率下工作,通常至少为200 kHz,这是在60-100 kHz区域工作的硅基解决方案的两倍以上。这种增加的开关频率可以显著减小变压器、电感器和输出电容的尺寸。


由于产生的废热更少,并且GaN器件可以在更高的温度下工作,同时保持可靠性,因此减少甚至消除了对散热器、框架或风扇等热管理器件的需求。这进一步有助于减小产品尺寸/重量并相应增加功率密度。


尺寸的减小也意味着需要更少的材料(金属、塑料、铜),使氮化镓产品更具可持续性,并减少报废废物。


适合医疗应用的GaN基电源方案


与现有解决方案相比,氮化镓方案节省了空间,减少了风扇,将所需的空间减少了50%,从而提供了高达11 W/in3的一流功率密度。这确保了产品的紧凑性,有助于实现方便便携的家庭医疗保健解决方案。


其中一个例子是XP Power的医疗适配器电源AQM系列200W、250W和300W,它利用了氮化镓技术的优势,可提供高达94%的效率。

 

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图3:XP Power的AQM系列是一款紧凑的、GaN基的医疗电源解决方案


家庭医疗是一个重要且不断增长的行业,但要充分发挥其潜力,相关电源方案必须以紧凑的尺寸提供更高功率。硅等现有技术正达到其极限,因此高性能方案的设计者正在寻找氮化镓等宽带隙材料,以提供市场所需的紧凑而高功率的电源方案。


与硅相比,氮化镓具有更低的损耗、更快的开关速度和更高的温度运行,可减少元器件尺寸和热管理需求,从而显著提高功率密度。


关键字:氮化镓  GaN  医疗保健  电源 编辑:张工 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/dygl/ic618815.html

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