半导体材料中的临界场决定了器件的击穿电压。对于给定的击穿电压，电场越高，漂移区的宽度越短。在 GaN 晶体管中，临界场比硅高一个数量级，二维电子气 (2DEG) 带来的电子迁移率使导通电阻较低，同时保持其尺寸较小。
GaN 技术基于平面布局。在反向传导中，GaN 晶体管具有等效体二极管，没有反向恢复电荷 (Q RR = 0)。此外，对于给定的导通电阻，GaN 器件的寄生电容比硅器件低大约一个数量级。较小的寄生电容可实现更高的开关能力、更高的 PWM 频率和短的死区时间，从而提高电机效率。
EPC2310x：ePower Stage IC 功能
ePower Stage IC 产品系列采用 EPC 专有的GaN IC 技术，将输入逻辑接口、高端电平转换栅极驱动器、同步自举电源以及 eGaN 输出 FET 集成到一个单片集成电路中；这些器件采用 3.5 x 5 mm FCQFN 封装。新一代高效电源转换单片集成电路由三款额定电压为 100 V 的产品组成。这三款 IC (EPC23102/3/4) 的功率 FET 导通电阻 (R DS,ON ) 不同，因此这些器件可用于不同的应用。EPC23102 是 R DS,ON较低的器件，高端和低端 FET 值为 6.6 mΩ，其次是 EPC23103，值为 7.7 mΩ，EPC23104，值为 11 mΩ。器件的结构如图 1 的电路框图所示。
图 1. EPC23102/3/4 功能框图。图片由 Bodo's Power Systems
参考设计
EPC 已发布多款采用 GaN FET 分立电路和 GaN 集成电路的电机驱动逆变器参考设计板。所有参考设计板均采用类似的框图和控制器连接器，以帮助设计人员在逆变器平台设计阶段调整电流和电压。
基于集成电路的电机驱动应用允许使用更小的电路板并简化设计。新版 EPC9176 [6] 和新的 EPC91103 [7] 和 EPC91104 [8] 电路板展示了电机驱动逆变器简化和空间减少的一个例子。评估板具有相同的布局，但功率级和相电流传感器的类型不同。EPC9176 配备 EPC23102，EPC91103 安装 EPC23103，EPC91104 安装 EPC23104 设备。
新的参考设计板尺寸为 7.5 x 7.2 厘米。逆变器输入电压范围为 14 V 至 85 V。PCB 堆叠结构包括 8 层 FR4 PCB，顶部和底部为 2 盎司，内层为 4 盎司，以降低 PCB 传导电阻，并由于铜更厚而具有更好的散热效果。这些板包括辅助电源，用于从直流总线产生 5 V 和 3.3 V、相电压感应、相电流霍尔效应传感器、用于传感器控制的霍尔/编码器接口和过流保护电路，如图 2 所示。
参考板重要的特点是简化了逆变器设计，尤其是其顶部。如图 2 中的布局所示，只有功率器件及其各自的霍尔效应相电流传感器安装在 PCB 顶部表面。这有利于功率器件散热，并更好地与安装在顶部的散热器连接。与模拟传感信号、电源和过流相关的所有其他组件都放置在电路板的底部。直流链路由放置在电路板顶部和底部的陶瓷电容器组成，连接到直流总线连接器和功率器件，输入电压 VIN 和 GND 的交替轨道也在内部层中重复，以便更好地在各层中分配直流总线电流。
安装在新参考板上的霍尔效应电流传感器可以降低电流传感电路的复杂性。基于霍尔的相电流传感解决方案不需要外部调节电路，与使用分流电阻的传统解决方案相比，它进一步简化了电机驱动逆变器板的设计。
图 2. EPC9176 Rev3.0 顶视图和底视图，带系统框图。图片由 Bodo's Power Systems
图 3. a) EPC3102 和 b) EPC23104 温升随电机相电流和 PWM 频率的变化。图片由 Bodo's Power Systems提供
实验结果
图 3 显示了有和没有散热器且无强制风冷的稳态运行测试，并描述了 EPC9176 和 EPC91104 板的热行为。借助 48 V DC DC 总线，安装在 EPC9176 上的 EPC23102 可以在没有散热器的情况下连续承载 15 A RMS电机相电流，显示器件芯片相对于环境温度的温升低于 75°C，开关频率高达 100 kHz，死区时间为 50 ns。带有散热器且采用被动风冷（无强制对流）的 EPC9176 可以维持 20 A RMS，温升为 65°C，开关频率高达 100 kHz，死区时间为 50 ns。
由于器件 R DS,ON不同，安装在 EPC91104 上的 EPC23104 呈现出不同的热行为。EPC23104在没有散热器的情况下可以达到 10 A RMS ，在有散热器和被动空气冷却的情况下可以达到 15 A RMS，芯片温升低于 60°C，开关频率高达 100 kHz，死区时间为 50 ns。
使用逻辑输入电源输出集成电路使设计更加简单，并减小了逆变器的尺寸，从而确保了更大的紧凑性和重量减轻。由于开关频率更高，电机中的欧姆损耗降低，输入滤波器尺寸减小，系统整体效率提高，系统产生的热量减少；更短的死区时间可实现静音运行并提高电机性能。更小的尺寸、更少的热量产生和更紧凑的结构使逆变器可以集成到电机中，非常适合人形机器人关节等应用。
