通過高壓IGBT、線性MOSFET等功率器件，Littelfuse賦能醫(yī)療設備創(chuàng)新

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）隨著遠程醫(yī)療、智慧醫(yī)療、數(shù)字醫(yī)療等創(chuàng)新概念的興起，全球醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展換擋提速，未來幾年將保持蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。在PCIM Asia 2023上，Littelfuse半導體應用技術經(jīng)理劉鵬援引市場分析機構Statista的數(shù)據(jù)稱，預計到2030年全球市場中美國、中國、法國和德國醫(yī)療設備市場規(guī)模均將超過500億美元，其中美國醫(yī)療設備市場規(guī)模屆時將超過2000億美元。

數(shù)據(jù)來源：Statista

他指出，針對醫(yī)療設備市場，Littelfuse提供三大產(chǎn)品線，分別是來自IXYS的功率半導體產(chǎn)品，包括可控硅、Mosfet、IGBT、二極管、三極管和驅(qū)動器等；來自Littelfuse的電路保護器件，包括保險絲、TVS二極管、保護IC等；還有來自C&K的按鍵產(chǎn)品，包括觸控按鍵、按鍵開關和滑動按鍵等。



Littelfuse將醫(yī)療設備市場分為三個方向，分別是生命力支持設備、外科手術設備、診斷和治療設備。

除顫儀AED屬于生命力支持設備。劉鵬介紹稱，圍繞除顫儀，Littelfuse在電源系統(tǒng)、電池管理單元、開關按鈕、用戶界面和高壓脈沖放電H橋(H-Bridge)等方面都有產(chǎn)品供應。在H橋應用上，Littelfuse提供獨有的3000V IGBT，不僅提高了AED的可靠性，并且縮小了設備體積和設計周期。。

除顫儀電路框圖

應用于除顫儀的IGBT并非普通的IGBT產(chǎn)品，而是高壓IGBT，器件的工作電壓達到3000V。Littelfuse的Very High Voltage系列BiMOSFET兼具MOSFET和IGBT的優(yōu)勢，工作電壓為2500V-3600V。除顫儀的電池電壓一般為12V或24V，然后升壓到2000VDC，H橋是目前除顫儀中主流的電路架構。根據(jù)劉鵬的介紹，現(xiàn)階段在醫(yī)療設備用的3000V IGBT市場只有Littelfuse獨家供應，是一個出貨量很大的產(chǎn)品類別。除了IGBT，高壓可控硅也是Littelfuse在除顫儀市場非常具有統(tǒng)治力的一個器件，在2500V高壓可控硅市場幾乎沒有競爭對手。

他指出，過去幾年，除顫儀設備在國內(nèi)市場快速起量，原因在于政府政策對于公眾健康更加重視，像體育場、學校、交通樞紐和醫(yī)院等公共場所都開始要求配備除顫儀。未來，家用除顫儀是一個巨大的待開發(fā)市場，出貨量可能遠超過現(xiàn)有的市場規(guī)模，小型化和低成本是其中的挑戰(zhàn)。除顫儀也是本次Littelfuse在PCIM Asia 2023上重點展示的醫(yī)療設備方案。

X光影像系統(tǒng)DR屬于診斷和治療設備，Littelfuse在高壓發(fā)生器、輔助電源和用戶界面方面能夠提供相關器件。

X光影像系統(tǒng)電路框圖

劉鵬談到，X光影像系統(tǒng)里面的高壓發(fā)生器會產(chǎn)生一個150kV的高壓，功率可能達到40-80kW的級別，Littelfuse高性能大電流的保險絲在其中起到了保護作用。另外，設備前端會用到Littelfuse的三相整流橋，850V-1000V的MOSFET應用在高壓發(fā)生器(HV Generator)，高壓的MOSFET是Littelfuse的強項，這些器件擁有超低的RDS（ON）和Qg，以及卓越的dv/dt性能，可以顯著提高醫(yī)療產(chǎn)品的可靠性。

超聲手術刀是一種外科手術設備，主要用于生物組織的切割與血管閉合等操作。具有出血少、對周圍組織傷害少、術后恢復快等特點。在相關設備的AD/DC系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和換能器等方面，Littelfuse提供了對應的解決方案。

劉鵬表示，超聲手術刀電路的功率不大，一般不超過200W，但電路較為復雜。功放電路(Power Amplifier), 發(fā)出純正的正弦波，推動換能器工作。由于換能器核心部件是壓電陶瓷，在正弦波的激勵下，換能器不停地震蕩，將電能轉(zhuǎn)化成機械能，會以55.5kHz的高頻來進行切割。

超聲手術刀電路框圖

在超聲手術刀應用中，如果用方波驅(qū)動換能器，那么就會造成換能器異常損壞，因此純正的正弦波才能保證換能器的工作壽命。
Littelfuse提供極具創(chuàng)新價值的線性MOSFET管。這種器件和傳統(tǒng)的開關MOSFET有很大的不同，后者的驅(qū)動波形一般是PWM方波，而Littelfuse的線性MOSFET管可以承受嚴苛的正弦波驅(qū)動。

常規(guī)MOSFET管內(nèi)部是均勻排布的小MOSFET管，比例是相同的，那么在開關波形里面就會具有很好的一致性。不過，常規(guī)MOSFET的開啟電壓Vgsth是負溫度系數(shù)的，熱點主要集中在器件的中間區(qū)域。由于Vgsth是負溫度系數(shù)的，那么器件中間熱區(qū)的MOSFET管Vgsth 將進一步下降，并形成正反饋，導致電流異常集中而損壞Mosfet。 Littelfuse的技術創(chuàng)新在于，將MOSFET中間區(qū)域MOSFET晶胞的Vgsth人為調(diào)高，這是一個非常領先的工藝調(diào)整。當MOSFET 工作在線性區(qū)，大電流進入Littelfuse的線性MOSFET管時，器件表面的溫度就會趨向均勻，不會因為熱集中效應而失效。


除了這些典型的案例，劉鵬還向電子發(fā)燒友網(wǎng)記者介紹了Littelfuse 產(chǎn)品在創(chuàng)新醫(yī)療中的應用。比如：脈沖電場消融、血管內(nèi)脈沖除鈣化和呼吸機等方面的應用，涉及了4500V超高壓IGBT等功率器件以及C&K的高性能開關，體現(xiàn)了Littelfuse在醫(yī)療電子領域的布局廣度和布局深度。