醫療電源供應器的未來：結合氮化鎵（GaN）效率與IEC 60601-1安全規範


醫療電源供應器的未來：結合氮化鎵（GaN）效率與IEC 60601-1安全規範

概述

隨著全球醫療保健系統邁向數位化、居家化和行動化，對醫療設備電源供應器的要求已不僅限於供電穩定。新一代電源必須在極致效率、輕巧體積與最高安全標準之間取得完美平衡。

新一代寬能隙（Wide Bandgap, WBG）材料氮化鎵（GaN），憑藉其優異的性能，正成為推動這場變革的核心技術。本文將深入探討 GaN 如何滿足IEC 60601-1醫療安全規範嚴苛要求的同時，成為未來醫療電源設計的主流趨勢。


驅動下一代醫療電源供應器的關鍵趨勢

現代醫療設備對於電源的性能提出了前所未有的挑戰。這些趨勢是GaN技術進入醫療領域的主要推動力：

1. 高效率（94%-96%）：

更高的轉換效率能降低能耗並減少熱源堆積，提升電源可靠度與 MTBF（平均故障間隔時間），確保長時間運作的穩定性。

2. 高功率密度與小型化：

隨著穿戴式和可攜式診斷設備的普及，對電源的體積限制日益嚴苛，要求更高的功率密度（W/in3），特別是在居家護理情境。

3. 超低待機功耗：

醫療設備常處於待命狀態運行，降低待機功耗是提高整體系統能源效率，並符合綠色醫療趨勢的重要指標。

4. 高可靠性（MTBF提升）：

醫療應用關乎病患生命安全，對電源壽命與穩定性的要求遠高於工業或消費型領域。

5. 行動化與無線設備的輕量需求：

如移動超音波設備或病患監護儀，要求電源設計必須實現高度整合與輕量化，以便於外部或內建於設備之中。

6. 數位化、智慧醫療、高數據需求帶動更先進的電源：

支援高度運算設備所需的優異瞬態響應，確保在設備讀取或處理數據突發負載時，系統電壓穩定。

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氮化鎵（GaN）成為未來醫療電源設計核心的原因

GaN具備突破傳統矽（Si）材料限制的優勢，這些優勢完美契合了醫療領域的需求：

1. 高頻運作，元件小型化：

GaN 元件的超快開關速度允許電源供應器運行在高頻率，使電源模組更輕巧，得以釋放出醫療設備內部寶貴空間，供電池、傳感器或其他診斷模組配置。

2. 適用於穿戴與居家醫療的高密度模組：

輕巧的 GaN 電源模組能被整合進空間受限的設備中，特別適用於居家護理、穿戴式健康監測等應用，提升了病患的舒適性。

3. 符合綠色醫療 (Green healthcare)趨勢：

GaN 的低導通電阻和極快開關特性，將系統效率推升至94%以上，完美符合全球醫療領域對節能減碳的要求。

4. 降低熱應力，提升系統穩定度：

減少熱能產生，保護設備內部的敏感電子組件和傳感器免受熱漂移影響，提高診斷的準確性與設備的長期可靠度。

 

醫療安全要求：深入理解 IEC 60601-1 標準

在醫療領域，性能絕不能以犧牲安全為代價。IEC 60601-1為全球公認的醫療電氣設備基礎安全標準，對電源供應器提出了極為嚴格的要求：

1. 電氣隔離（MOPP、MOOP）：

區分為操作者保護措施（MOOP, Means of Operator Protection）和病患保護措施（MOPP, Means of Patient Protection）。MOPP 要求更高的間隙距離、爬電距離和絕緣耐壓，以確保病患與電源之間的絕對隔離。

2. 漏電電流限制（Leakage Current）：

為保護病患安全的核心規範，嚴格限制設備在正常和單一故障條件下流向病患或地線的微小電流。

3. 間隙距離(Clearance) /爬電距離 (Creepage)要求：

嚴格定義絕緣體表面和空氣中的最小隔離距離，以防止在高電壓下產生電弧或洩漏。MOPP等級通常要求雙倍於工業級的安全距離。

4. EMC / EMI 標準：

需符合 IEC 60601-1-2 標準，確保電源在運作時產生的電磁干擾（EMI）不會影響其他醫療儀器，同時也要具備足夠的電磁耐受性（EMC）。

5. 病患保護要求（Patient protection requirements）：

IEC 60601-1 要求電源設計必須考慮單一故障條件下的所有風險，確保即使在發生元件損壞時，病患保護措施仍能維持。

 

挑戰 GaN 高速切換與IEC 60601-1安全規範的平衡

GaN帶來的超高頻率和高速切換優勢，同時也帶來了實現醫療級安全規範的挑戰，需要克服：

1. 高速開關帶來 EMI挑戰：

GaN 元件的切換速度極快（high dV/dt 和 dI/dt），容易產生強烈的輻射和傳導電磁雜訊，使得符合 IEC 60601-1-2 標準的難度更高。

2. 絕緣與爬電距離限制小型化：

儘管 GaN 可讓變壓器小型化，但其絕緣結構和繞組距離仍須嚴格遵循 MOPP 所要求的間隙距離和爬電距離，限制了尺寸縮小的極限。

3. 需要更精準的熱管理：

在極致小型化後，熱密度急劇上升，對電源模組的局部熱點和散熱路徑提出了極高要求。

4. 突波、靜電放電與漏電流考驗（Surge / ESD / Leakage）：

高速電路對靜電放電（ESD）和突波（Surge）更為敏感，同時需要精準控制寄生電容，以確保極低的病患漏電流符合規範。

 

如何同時實現 GaN 效率與醫療安全

克服這些挑戰需要先進的電源設計經驗和精確的工程技術：

1. 多層隔離架構：

採用特製的變壓器設計，結合加強絕緣（Reinforced Isolation）或多級隔離架構，確保隔離等級達到 2ｘMOPP 的高安全標準。

2. 低 EMI拓撲：

採用先進的軟開關（Soft-Switching）拓撲，如諧振轉換器（LLC）或主動鉗位返馳式（Active Clamp Flyback），從源頭降低 GaN高速開關產生的 EMI。

3. PCB layout 高速設計準則：

精心設計電路板佈局，嚴格控制高頻迴路面積，使用多層板來提供良好的地平面隔離和屏蔽，以有效抑制雜訊。

4. 主動鉗位（Active Clamp）/ 軟開關（Soft-switching）技術：

這些技術能進一步減少開關損耗，降低元件熱應力，並優化 EMI性能。

5. 醫療級熱管理與外殼設計：

採用導熱性能優異的灌膠材料、優化散熱路徑，確保電源在最高環境溫度下仍能穩定、安全運行。

6. 遵循 60601-1-2（EMC）：

從元件選型到系統整合，嚴格執行 EMC 預測和測試，確保符合最新第四版 EMC 標準。

 

下一代 GaN 醫療電源供應器的應用場景

GaN 技術正為下列關鍵醫療設備的性能和便攜性帶來革命性突破：

◉ 智慧病患監護系統（Smart Patient Monitoring Systems）:

GaN 電源可為監護儀提供穩定且低雜訊的電力，並以更小的體積支援其移動或床旁應用，確保長時間數據採集的可靠性。

◉ 可攜式與穿戴式醫療設備（Portable & Wearable Healthcare Devices）：

例如移動生命體徵監測儀、可攜式心電圖儀（ECG）。 GaN實現的超小型化是這些設備輕量化和長續航的關鍵。

◉ 家用醫療電子產品（Home-use Medical Electronics）：

如血氧儀、血壓計（BP monitor）和家用呼吸器。 GaN的低待機功耗和高安全性，提升了這些設備的用戶體驗和居家使用可靠度。

◉ 影像與診斷設備（Imaging & Diagnostic Equipment）：

中小型超音波設備或內視鏡系統。GaN 能在極小的體積內提供所需的高功率，減少設備的佔用空間，並支援其移動應用。

 

翌勝電子（EDAC POWER）對未來醫療電源技術的藍圖

翌勝電子將GaN技術視為推動醫療電源創新的核心動力。我們致力於為客戶提供符合嚴苛安全與性能要求的解決方案：

◉ 高效率 GaN 系列醫療電源：

推出全系列基於 GaN 技術的高效率產品。

◉ 通過 IEC 60601-1 / 60601-1-2：

所有醫療電源產品均嚴格遵守 IEC 60601-1（最新版）及 IEC 60601-1-2 EMC 標準，確保最高等級的病患與操作者安全。

◉ 高整合度、小型化GaN模組：

專為空間受限、要求高功率密度的可攜式、穿戴式及床旁醫療設備設計。

◉ 支援客製化：

憑藉深厚的 GaN 設計和 IEC 60601-1 認證經驗，提供彈性的客製化服務，滿足客戶特定的電氣規格與安全隔離要求。

◉ 助力 ODM / 醫療品牌加速產品上市與認證：

提供預先通過全球多國 IEC 60601-1 認證，大幅縮短客戶的開發與上市週期，降低合規風險。

 

迎接下一代醫療電源：更小、更酷、更安全

高效率與高安全性是醫療電源的兩大支柱。GaN技術的成熟，讓兩者不再是魚與熊掌。它不僅提供了極致的功率密度和效率，更挑戰了工程師在EMI、絕緣和熱管理上的極限。

GaN 正式成為新一代醫療電源的主流。為了確保產品能在這場技術升級中保持競爭力，醫療設備製造商應提早布局，選擇具備 GaN 技術實力與 IEC 60601-1 認證經驗的電源夥伴。翌勝電子將持續深耕技術，確保您的醫療設備在追求極致性能的同時，提供最可靠的安全保障。如需進一步資訊，請隨時與 我們聯繫 ！