《IEEE生物医学电路与系统汇刊》发表基于氮化镓（GaN）技术的4 MHz电外科发生器研究
一、研究概况
本篇论文题为《基于GaN的4 MHz全桥电外科发生器，在宽负载阻抗范围内实现零电压开关》（GaN-based 4-MHz Full-Bridge Electrosurgical Generator Using Zero-Voltage Switching Over Wide Load Impedance Range），发表于《IEEE生物医学电路与系统汇刊》（IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems）第17卷第5期，出版时间为2023年10月。论文的主要作者包括Sungwoon Hwang（黄圣云）、Seokmin Lee（李硕敏）、Byeongcheol Yoon（尹炳哲）、Byongchang Jeong（郑秉昌）、Jongchan Kim（金钟灿）、Sungmin Kim（金圣民）以及Junghyun Kim（金正贤）。其中，Junghyun Kim和Sungmin Kim为共同通讯作者。作者单位涵盖韩国汉阳大学电子与系统工程系、MMII实验室公司、三星医学中心成均馆大学医学院泌尿外科，以及韩国大林大学学院生物医学工程系。该研究得到了韩国贸易、工业和能源部工业战略技术开发计划ATC项目的资助。
二、学术背景与研究目的
电外科发生器（Electrosurgical Generator, ESG）是现代手术室中用于腹腔镜手术、美容手术和牙科手术的常用设备，通过向组织施加电流实现肿瘤消融、组织烧灼和血管封闭。自20世纪20年代末第一台单极电外科发生器问世以来，各类双极和超声波电外科设备不断发展，其工作频率也逐步提高。
从组织电学特性来看，生物组织可等效为细胞膜贡献和细胞质贡献组成的电路模型。随着频率升高，组织电阻和电容均会下降，导致组织阻抗降低，使得电流更容易通过组织。这一特性不仅能够防止非手术部位组织爆裂，还能缩短手术时间，对降低手术风险和促进患者恢复具有积极意义。此外，更高的工作频率使人体对电流幅值的敏感度降低，减少了电击风险。因此，开发MHz级别的高频电外科发生器成为该领域的重要方向。然而，尽管电外科设备在多个外科领域不断发展，MHz频段的电外科发生器研究仍然有限。
电外科发生器的稳定运行对逆变器性能提出了多项要求。在手术过程中，负载阻抗（Z_L）会经历剧烈变化：器械钳口接触组织前阻抗为无穷大，接触不同组织时呈现不同阻抗值，当钳口两端直接接触时则进入短路状态。一个理想的电外科发生器必须在从短路到开路的宽阻抗范围内产生稳定的恒定输出功率，并保持高效率运行，同时在短路状态下限制过电流以保护组织和逆变器。在逆变器拓扑选择方面，全桥拓扑由于其在高压电外科应用中的优势成为主流方案，但以往研究多工作在300至500 kHz频段，且在全桥逆变器中未能实现零电压开通或零电流关断，导致整体效率偏低。本研究旨在开发一款工作频率为4 MHz、基于氮化镓（Gallium Nitride, GaN）开关技术的高效率全桥逆变器，以满足宽负载阻抗范围内零电压开关和高输出功率的要求。
三、研究方案与技术实现
本研究提出的电外科发生器系统采用移相全桥逆变器架构，包含谐振电路和负载电阻。数字信号处理器通过脉宽调制控制四个开关管的非重叠切换，产生方波输出电压波形。
在谐振电路设计方面，本研究提出了一个核心创新方案。传统的低通滤波器虽然能在低阻到高阻范围内实现阻抗匹配，并在目标频率下通过足够电感实现零电压开关条件，但在电外科发生器所需的宽阻抗范围内，大电感虽能保证零电压开关，却会导致输出功率性能不佳。为解决这一矛盾，研究团队提出了一种LLC型谐振滤波器结构。该结构在负载两端以串联和并联方式连接电感和电容，使得在宽负载阻抗范围内既能获得足够的输出功率，又能以较小的串联电感实现零电压开关。谐振电路设计的关键原则是使谐振频率低于4 MHz，以保证在谐振滤波器和任意负载状态下，输出阻抗始终呈现感性阻抗，从而满足零电压开关条件。同时，串联电感需具备足够电感值以在负载接近短路时限制过电流。
谐振电路的电感元件采用双层FR4印刷电路板上的平面电感实现。串联电感和并联电感分别占据32毫米×32毫米和44毫米×44毫米的面积，整个谐振电路总面积为82毫米×92毫米。研究团队通过2.5维电磁仿真设计并提取了电感参数，在4 MHz下各电感的品质因数接近100，自谐振频率超过40 MHz，显著降低了损耗。电容则采用自谐振频率超过10 MHz的云母电容，能够承受超过500 V的高直流电压。
在4 MHz GaN全桥系统实现方面，研究面临传播延迟、寄生效应和热管理等多重挑战。系统采用49 V直流供电，通过DC-DC转换器为数字信号处理器提供5 V电压。数字信号处理器在每个中断周期完成3路脉宽调制信号生成，采用20 ns的死区时间以考虑开关的上升和下降时间并充分释放开关电容。系统通过闭环控制维持恒定输出功率：采样直流电源到全桥的电流，通过预先制作的查找表计算输出功率，再由数字信号处理器通过移相控制进行调节。查找表是在4 MHz下使用5至200 Ω的无感电阻预先标定建立的。
针对GaN开关在数MHz频率下的特殊要求，研究团队精心设计了栅极驱动方案。由于栅极驱动器输出到功率开关的寄生电感会在数MHz频率下引起晶体管栅极的意外振铃，研究采用了开关栅极与源极感应引脚重叠耦合的布局方式以显著缓解该效应。栅极驱动导通输出端串联2 Ω电阻以控制开关速度和电压转换速率，开关的源极感应引脚连接到栅极驱动器并匹配电压差。光耦合器用于隔离数字信号处理器数字区域和全桥逆变器模拟区域，确保MHz逆变器应用的稳定运行。在热管理方面，散热器连接到整个PCB并与热焊盘相连，使功率开关能够最大限度地散热，辅以机械风扇直接循环热量，形成有效的热管理结构。
四、主要实验结果
为验证所提出系统的性能，研究团队搭建了完整的GaN全桥逆变器原型并进行了系统测试。实验采用48 V直流供电，使用5至200 Ω的无感电阻作为负载。输出电压和电流通过差分电压探头和电流探头在全桥输出端与谐振滤波器之间以及谐振滤波器与负载电阻之间进行测量。
实验结果表明，在所有电阻负载值下，输出电压和输出电流波形均呈现电流滞后电压的特性，证实各开关管在零电压开关条件下实现导通。在短路负载条件下，峰值电流被限制在3 A以下，最大输出电流为9 A。测量结果与4 MHz仿真结果具有良好的一致性。在5至20 Ω范围内的实测电压和电流幅值与仿真结果存在轻微差异，这是由于无感电阻在4 MHz下的不准确性以及功率开关和滤波器寄生元件成为逆变器主导值所致。
在输出功率和效率方面，所提出的全桥逆变器在全占空比条件下展现稳定性能。在10至100 Ω的目标负载范围内，输出功率稳定超过70 W。在5至50 Ω范围内，效率超过87%；在200 Ω时效率仍保持在60%以上。较轻重载条件下的效率下降是由于零电压开关操作下限流保护所需串联电感导致开关关断状态下循环电流增加，以及4 MHz下为充分释放寄生电容所需的充足死区时间造成。尽管如此，系统在宽阻抗范围内有效实现了零电压开关并保持了足够高的效率。
在恒定功率控制测试中，通过闭环反馈占空比控制，系统在20 W、50 W和70 W三个功率模式下均成功实现了各电阻值下的恒功率输出。为验证系统作为电外科发生器的实际有效性，研究团队使用双极器械在猪组织样本上进行了测试，通过不同输出功率和工作时间的组合检验组织凝固程度。实验结果确认，在50 W和70 W输出功率下，持续2秒、5秒和7秒的操作时间均能充分实现组织烧灼和凝固。
五、研究结论与应用价值
本研究成功开发了一款基于GaN开关的4 MHz电外科发生器，输出功率超过50 W，最大可达99 W，最高整体效率达到89%。所提出的谐振滤波器能够在短路状态下将过电流限制在3 A以下，同时在所有手术负载情况下实现零电压开关，覆盖从10 Ω到200 Ω的宽负载阻抗范围。研究论证了谐振频率保持在4 MHz以下是同时实现零电压开关条件和过电流保护的关键原理。
该研究的科学价值在于提出了一种将LLC型谐振电路与GaN高频开关技术相结合的设计方法，解决了长期以来高频电外科发生器中宽阻抗范围内零电压开关与高输出功率难以兼顾的技术难题。在应用价值层面，更高频率的电外科手术能够降低组织阻抗，使电流更易通过组织，减少非手术部位的组织损伤，缩短手术时间，提升患者恢复速度。同时，高频操作降低了人体对电流的敏感度，减少了电击风险。此外，高效的GaN开关和优化的谐振电路设计使系统能量利用率显著提升，具备良好的临床应用前景。
六、研究亮点
本研究的主要亮点体现在以下几个方面。首先，创新性地提出了LLC型谐振滤波器拓扑结构，通过串联和并联电感电容的协同配置，成功在4 MHz高频下实现了从短路到开路全范围负载的零电压开关，同时有效限制了短路过电流。其次，系统采用宽禁带材料GaN开关技术，通过精细的栅极驱动设计和热管理方案解决了MHz频段功率系统在寄生效应和散热方面的挑战。第三，实现了闭环恒功率控制，能够在不同负载条件下自动调节占空比，维持20 W、50 W和70 W等多个功率级别的恒定输出。第四，通过猪组织样本实验验证了系统在实际电外科应用中的有效性。最后，与同类型MHz频段电外科发生器相比，该研究在输出功率和效率方面均表现出显著优势，为高性能电外科设备的开发提供了重要的技术参考。