Whoscored中文官网 | 编译自 Power Electronics News, 2022-10
近年来，我们越来越多地在非传统地点（如医院、诊所和医生办公室）接受医疗护理和监测。这就减轻了临床空间的压力， 因为可用的医疗资源的增加和全球人口老龄化导致越来越多的老年人需要医疗护理。
居家健康护理提供了一个更轻松的治疗体验，减少了病人的压力和焦虑。新技术也正在使基于家庭的美容应用成为可能。
在Covid-19大流行期间，由于缺乏可用的床位，以及希望尽可能地将Covid患者与更广泛的社区隔离开来，居家健康护理有了显著增长。
这种增长来自于已经扩大的市场头部：随着更紧凑的设备和更大的连接性的出现，医疗团队可以进行远程监控。根据麦肯锡公司的报告，到2025年，仅在美国，有高达2.65亿美元现场医疗设施中提供的服务可以转到家庭环境中。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。
为居家健康护理设备提供电力
随着最新的居家健康护理设备增加了更多的功能，对电源的要求也越来越高。一些较新的产品已经达到了可用外部电源功率的高端。
在外部安装电源有几个好处。基本的好处是安全隔离，这对与病人连接的设备至关重要，对设备制造商来说不是一个问题。因为他们从电源专家那里获得了一个预先批准的设备方案。
为了保持便携性和便利性，设计者面临的挑战是如何在比以前的低功率设备体积没有明显增大的情况下，提供更高的功率水平。这一挑战的核心是功率密度和热管理，诸如散热需要的散热片等器件，从而增加了尺寸、重量和成本。
正如电源设计师所知，减少废热的方法是通过优化电源运行的效率来实现的。然而，达到所需的效率用硅基半导体可能无法实现。
宽禁带半导体技术
在紧凑的解决方案中提供更高的功率水平的要求并不是居家健康护理设备所独有的。电动汽车和可再生能源解决方案的设计者（除其他外）也面临着类似的挑战，他们越来越多地转向所谓的宽禁带（WBG）半导体技术，以克服硅半导体的限制。
禁带指的是价带顶部和导带底部之间的能量差。在由碳化硅或氮化镓组成的器件中，这种禁带宽度大得多，使功率器件能够在更高的电压、温度和频率下工作。在氮化镓器件中，击穿电压大约是硅的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))，减少导通损耗和相关的废热产生。
在目前使用的任何材料中，在给定的击穿电压下，氮化镓的导通电阻最低。
半导体器件在开关过程中也会出现损耗，因为电流开始流动时，漏极-源极电压(VDS)仍然很高。然而，由于氮化镓器件的开关速度更快，与硅甚至碳化硅器件相比，这些损失明显减少。
为了避免出现被称为"击穿"的情况，即在开关过程中产生短路。在半桥的两个开关都关闭的情况下，会产生一个死区时间。电流在这段时间内继续流动。在硅器件中，电流流经体二极管，与GaN相比的损耗相对较高。GaN的器件没有体二极管，因此电流流经RDS(on)。这样就能实现更有效的操作。
由于开关损耗较低，基于氮化镓的电源可以在更高的频率下工作，通常至少为200kHz，这比在60至100千赫兹区域工作的硅基解决方案高出一倍以上。这种增加的开关频率，使变压器、电感器和其他部件的尺寸可以大大减少。
由于产生的废热较少，氮化镓器件可以在更高的温度下工作，同时保持可靠性，因此对散热片、框架或风扇等热管理设备的需求就会减少甚至不需要。这进一步促进了尺寸/重量的减少和功率密度的相应提高。
尺寸的缩小也意味着需要更少的材料（金属、塑料、铜），使GaN产品更具有可持续性，并导致更少的使用报废的废物。
基于氮化镓的医疗应用电源解决方案
与现有的解决方案相比，节省空间的无风扇GaN解决方案将所需的典型空间减少了50%，并提供了领先的功率密度达11W/in.。这确保了结构的紧凑性，有助于形成一个方便、便携的家庭保健解决方案。
在目前使用的任何材料中，GaN在给定的击穿电压下提供最低的导通电阻。
这方面的一个例子是XP Power公司的AQM系列200-W、250-W和300-W外部医疗电源，它发挥了GaN技术的优势，效率高达94%。
XP Power公司的AQM系列是一种紧凑的、基于GaN的医疗电源解决方案。
居家健康护理是一个重要的、不断增长的行业，但要充分发挥其潜力，相关的电源解决方案必须在一个较小的空间内提供更多的功率。现有的技术如Si，正在达到其极限，因此高性能解决方案的设计者正在寻找WBG材料，如GaN，以提供市场所需的紧凑而强大的解决方案。
与硅相比，氮化镓具有更低的损耗、更快的开关和更高的工作温度，这反过来又可以减少元件的尺寸和热管理的需要，从而使功率密度显著提高。
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