通过高压IGBT、线性MOSFET等功率器件，Littelfuse赋能医疗设备创新

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）随着远程医疗、智慧医疗、数字医疗等创新概念的兴起，全球医疗电子产业发展换挡提速，未来几年将保持蓬勃发展的态势。在PCIM Asia 2023上，Littelfuse半导体应用技术经理刘鹏援引市场分析机构Statista的数据称，预计到2030年全球市场中美国、中国、法国和德国医疗设备市场规模均将超过500亿美元，其中美国医疗设备市场规模届时将超过2000亿美元。

数据来源：Statista

 
他指出，针对医疗设备市场，Littelfuse提供三大产品线，分别是来自IXYS的功率半导体产品，包括可控硅、Mosfet、IGBT、二极管、三极管和驱动器等；来自Littelfuse的电路保护器件，包括保险丝、TVS二极管、保护IC等；还有来自C&K的按键产品，包括触控按键、按键开关和滑动按键等。


 
Littelfuse将医疗设备市场分为三个方向，分别是生命力支持设备、外科手术设备、诊断和治疗设备。
 
除颤仪AED属于生命力支持设备。刘鹏介绍称，围绕除颤仪，Littelfuse在电源系统、电池管理单元、开关按钮、用户界面和高压脉冲放电H桥(H-Bridge)等方面都有产品供应。在H桥应用上，Littelfuse提供独有的3000V IGBT，不仅提高了AED的可靠性，并且缩小了设备体积和设计周期。。
 

除颤仪电路框图

 
应用于除颤仪的IGBT并非普通的IGBT产品，而是高压IGBT，器件的工作电压达到3000V。Littelfuse的Very High Voltage系列BiMOSFET兼具MOSFET和IGBT的优势，工作电压为2500V-3600V。除颤仪的电池电压一般为12V或24V，然后升压到2000VDC，H桥是目前除颤仪中主流的电路架构。根据刘鹏的介绍，现阶段在医疗设备用的3000V IGBT市场只有Littelfuse独家供应，是一个出货量很大的产品类别。除了IGBT，高压可控硅也是Littelfuse在除颤仪市场非常具有统治力的一个器件，在2500V高压可控硅市场几乎没有竞争对手。
 
他指出，过去几年，除颤仪设备在国内市场快速起量，原因在于政府政策对于公众健康更加重视，像体育场、学校、交通枢纽和医院等公共场所都开始要求配备除颤仪。未来，家用除颤仪是一个巨大的待开发市场，出货量可能远超过现有的市场规模，小型化和低成本是其中的挑战。除颤仪也是本次Littelfuse在PCIM Asia 2023上重点展示的医疗设备方案。
 
X光影像系统DR属于诊断和治疗设备，Littelfuse在高压发生器、辅助电源和用户界面方面能够提供相关器件。
 

X光影像系统电路框图

 
刘鹏谈到，X光影像系统里面的高压发生器会产生一个150kV的高压，功率可能达到40-80kW的级别，Littelfuse高性能大电流的保险丝在其中起到了保护作用。另外，设备前端会用到Littelfuse的三相整流桥，850V-1000V的MOSFET应用在高压发生器(HV Generator)，高压的MOSFET是Littelfuse的强项，这些器件拥有超低的RDS（ON）和Qg，以及卓越的dv/dt性能，可以显著提高医疗产品的可靠性。
 
超声手术刀是一种外科手术设备，主要用于生物组织的切割与血管闭合等操作。具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等特点。在相关设备的AD/DC系统、电源系统和换能器等方面，Littelfuse提供了对应的解决方案。
 
刘鹏表示，超声手术刀电路的功率不大，一般不超过200W，但电路较为复杂。功放电路(Power Amplifier), 发出纯正的正弦波，推动换能器工作。由于换能器核心部件是压电陶瓷，在正弦波的激励下，换能器不停地震荡，将电能转化成机械能，会以55.5kHz的高频来进行切割。
 

超声手术刀电路框图

 
在超声手术刀应用中，如果用方波驱动换能器，那么就会造成换能器异常损坏，因此纯正的正弦波才能保证换能器的工作寿命。
Littelfuse提供极具创新价值的线性MOSFET管。这种器件和传统的开关MOSFET有很大的不同，后者的驱动波形一般是PWM方波，而Littelfuse的线性MOSFET管可以承受严苛的正弦波驱动。
 
常规MOSFET管内部是均匀排布的小MOSFET管，比例是相同的，那么在开关波形里面就会具有很好的一致性。不过，常规MOSFET的开启电压Vgsth是负温度系数的，热点主要集中在器件的中间区域。由于Vgsth是负温度系数的，那么器件中间热区的MOSFET管Vgsth 将进一步下降，并形成正反馈，导致电流异常集中而损坏Mosfet。 Littelfuse的技术创新在于，将MOSFET中间区域MOSFET晶胞的Vgsth人为调高，这是一个非常领先的工艺调整。当MOSFET 工作在线性区，大电流进入Littelfuse的线性MOSFET管时，器件表面的温度就会趋向均匀，不会因为热集中效应而失效。
 
 
除了这些典型的案例，刘鹏还向电子发烧友网记者介绍了Littelfuse 产品在创新医疗中的应用。比如：脉冲电场消融、血管内脉冲除钙化和呼吸机等方面的应用，涉及了4500V超高压IGBT等功率器件以及C&K的高性能开关，体现了Littelfuse在医疗电子领域的布局广度和布局深度。