此比較中三個(gè)最重要的參數(shù)是較高的帶隙、臨界場(chǎng)和電子遷移率。臨界場(chǎng)以伏特/厘米為單位測(cè)量，決定了雪崩擊穿的閾值。因此，器件擊穿的電壓與漂移區(qū)的寬度成正比。對(duì)于相同的擊穿電壓，GaN 的漂移區(qū)比硅小 10 倍。當(dāng)這些參數(shù)全部結(jié)合起來(lái)時(shí)，如果晶體的臨界場(chǎng)高 10 倍，則電端子之間的距離可以縮小 10 倍。這導(dǎo)致了 GaN 和硅之間的明顯區(qū)別：中壓氮化鎵器件可以基于平面技術(shù)構(gòu)建，而這對(duì)于硅器件來(lái)說(shuō)成本高昂。為了具有競(jìng)爭(zhēng)力，硅器件采用垂直技術(shù)制造，通常柵極和源極位于頂部，漏極位于底部，這使得在同一芯片中實(shí)際上不可能有兩個(gè)功率器件。EPC 的 GaN-on-Si 平面技術(shù)沒(méi)有這種必須垂直構(gòu)建的限制，利用這一點(diǎn)的集成電路的示意性橫截面如圖 1 所示。

　　圖 1.  EPC 氮化鎵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)功率器件與柵極驅(qū)動(dòng)器邏輯的集成。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　從分立橫向 eGaN FET 器件開(kāi)始，EPC 迅速轉(zhuǎn)向更高集成度。2014 年，EPC 推出了一系列集成器件，其中在一個(gè)芯片上包含多個(gè) FET，這成為邁向片上電源系統(tǒng)之旅的起點(diǎn)。隨著帶有集成同步自舉晶體管的集成半橋 EPC2107 和 EPC2108 的推出，這一趨勢(shì)得到了擴(kuò)展。
　　2018 年，EPC 繼續(xù)其集成之路，推出了 GaN IC，將柵極驅(qū)動(dòng)器與高頻 GaN FET 結(jié)合在單個(gè)芯片中，以提高效率、縮小尺寸并降低成本。2019 年，ePower Stage IC 系列產(chǎn)品重新定義了功率轉(zhuǎn)換，將所有必需的電源片上系統(tǒng)功能集成在單個(gè)硅基氮化鎵集成電路中，電壓和頻率水平超出了硅的范圍。最近，EPC23101 與 EPC2302 功率級(jí)芯片組于 2021 年被推向市場(chǎng)。
　　GaN 集成電路單片功率級(jí) – EPC2152
　　第一個(gè) ePower Stage 器件于 2019 年推出。EPC2152 是一款單片集成單芯片驅(qū)動(dòng)器加 GaN FET 半橋功率級(jí) IC。輸入邏輯接口、電平轉(zhuǎn)換、自舉充電和柵極驅(qū)動(dòng)緩沖電路以及配置為半橋的 GaN 輸出 FET 均集成在單片芯片內(nèi)。這種集成形成了芯片級(jí) LGA 外形尺寸，尺寸僅為 3.85 毫米 x 2.59 毫米 x 0.63 毫米。半橋拓?fù)渲械膬蓚€(gè) GaN 輸出 FET 設(shè)計(jì)為具有相同的 8.5 mΩ 典型 R DS(on)?！　aN FET 與片上柵極驅(qū)動(dòng)緩沖器的集成實(shí)際上消除了共源極電感和柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感的影響。LGA 引腳排列最大限度地減少了電源環(huán)路電感，有利于內(nèi)部垂直布局技術(shù)。EPC2152 的框圖如圖 2 所示，參考設(shè)計(jì) EPC9146 BLDC 逆變器功能框圖如圖 3 所示。

　　圖 2.  EPC2152 GaN 集成電路框圖。圖片由 Bodo's Power Systems提供

　　圖 3.  EPC9146 BLDC 逆變器功能框圖。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　采用 EPC2152 的 EPC9146 電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)
　　為了展示 EPC2152 集成電路在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中的功能，EPC 發(fā)布了 EPC9146 參考設(shè)計(jì)。它是一款三相無(wú)刷 (BLDC) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器板，包含三個(gè) EPC2152 單片 ePower 級(jí)，最大輸出電流為 15 A pk (10.5 A RMS )。除了單片功率級(jí)之外，該板還包含支持完整電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器所需的所有關(guān)鍵功能，包括用于內(nèi)務(wù)電源、電壓和溫度感測(cè)、相電流感測(cè)和保護(hù)功能的調(diào)節(jié)輔助電源軌。EPC9146 的各種功能塊如圖 3 所示。該參考設(shè)計(jì)可用于電機(jī)相電流為 10 A RMS連續(xù)電流和 15 A電流的所有應(yīng)用。有效值高電流在有限時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。
　　GaN IC 功率級(jí)芯片組 – EPC23101 與 EPC2302 組合
　　沿著進(jìn)一步集成和提高功率密度的道路，EPC 于 2021 年推出了一款芯片組，該芯片組結(jié)合了 EPC23101（具有單片集成半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的高側(cè) GaN）和 EPC2302 GaN FET，如圖 4 所示。
　　EPC23101 是一款額定電壓為 100 V 的單片組件，集成了輸入邏輯接口、電平轉(zhuǎn)換、自舉充電和柵極驅(qū)動(dòng)緩沖電路，以及高側(cè) 2.6 mΩ 典型 R DS(on) GaN 輸出 FET。EPC2302 是 100 V 配套低側(cè)、1.4 mΩ 典型 R DS(on) GaN FET。在硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，通過(guò)選擇調(diào)諧電阻器 R BOOT和 R DRV，可以將過(guò)壓尖峰控制在軌以上 +10V 以下和地以下 –10V 以下?！　PC23101 IC 僅需要外部 5 V (V DRV ) 電源。內(nèi)部低側(cè)和高側(cè)電源V DD和V BOOT是通過(guò)串聯(lián)開(kāi)關(guān)和同步自舉開(kāi)關(guān)從外部電源生成的。通過(guò)將 EN 引腳連接到 V DRV可以禁用內(nèi)部電路以降低靜態(tài)功耗。FET 柵極驅(qū)動(dòng)電壓源自內(nèi)部低側(cè)和高側(cè)電源。全柵極驅(qū)動(dòng)電壓僅在 HS IN和 LS IN PWM 輸入運(yùn)行幾個(gè)周期后可用。與 EPC2152 相比，EPC23101 與 EPC2302 的結(jié)合使設(shè)計(jì)人員能夠制作更高電流的逆變器。

　　圖 4.  EPC23101 與 EPC2302 GaN IC 芯片組組合框圖。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　采用 EPC23101 的 EPC9173 電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)
　　為了展示 EPC23101 IC 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中的功能，EPC 發(fā)布了 EPC9173 參考設(shè)計(jì)。在此板上，三相逆變器的每個(gè)半橋均包含兩個(gè) EPC23101 IC，其 PWM 信號(hào)交叉連接，允許插入源分流器來(lái)讀取電流，如圖 5 所示，其中包含原理圖的一部分?！　⊥ㄟ^(guò)對(duì)低側(cè)開(kāi)關(guān)使用相同的 IC，可以實(shí)現(xiàn)平衡半橋逆變器，并且兩個(gè)開(kāi)關(guān)都可以相對(duì)于電源地浮動(dòng)。這使得源分流器的插入更加容易，避免輸入 PWM 信號(hào)節(jié)點(diǎn)上的接地彈跳。EPC9173 板包含一個(gè)過(guò)流檢測(cè)電路，可用作過(guò)流或限流功能，具體取決于所需的算法和調(diào)制。

　　圖 5.  EPC9173 BLDC 逆變器功能框圖。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　應(yīng)用領(lǐng)域
　　PWM頻率增加和死區(qū)時(shí)間減少
　　GaN 集成電路和 FET 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中具有多種優(yōu)勢(shì)。最容易理解的優(yōu)點(diǎn)是逆變器尺寸的減小，這是由于 GaN FET 和 IC 的固有尺寸比等效 MOSFET 更小。然而，為了充分利用新技術(shù)，最好以更高的 PWM 頻率運(yùn)行電機(jī)，從而減少死區(qū)時(shí)間 [2]。
　　傳統(tǒng)的硅 MOSFET 逆變器受到高開(kāi)關(guān)損耗和換向行為的限制，通常無(wú)法在 40 kHz PWM 頻率以上運(yùn)行且死區(qū)時(shí)間低于 200 ns?；?GaN 的逆變器在這個(gè)意義上不受限制，并且可以提高電機(jī)的效率，因?yàn)殡娏骷y波減少，歐姆耗散降低（圖 6，[4]），并且導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)的扭矩諧波更少 [2]。
　　圖 6. 具有 50% 占空比方波電壓激勵(lì)的電機(jī)中 PWM 引起的損耗測(cè)量值與估計(jì)值之間的比較 [4]。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　此外，提高開(kāi)關(guān)頻率有助于減少輸入濾波器并消除對(duì)電解電容器的需求。表 2 顯示了兩個(gè)逆變器之間的比較，一個(gè)以 20 kHz 運(yùn)行，500 ns 死區(qū)時(shí)間，另一個(gè)基于 GaN，以 100 kHz 運(yùn)行，14 ns 死區(qū)時(shí)間。GaN 逆變器沒(méi)有輸入電感器，僅使用兩個(gè)陶瓷電容器。兩個(gè)逆變器在相同的設(shè)置和相同的條件下運(yùn)行，并且電機(jī)效率更高，因?yàn)樵?GaN 逆變器中消除了許多浪費(fèi)能源的諧波。
　　電機(jī)中具有低 L/R 時(shí)間常數(shù)的應(yīng)用
　　所有需要高電頻率和快速動(dòng)態(tài)的應(yīng)用，例如無(wú)人機(jī)螺旋槳和電動(dòng)自行車踏板電機(jī)，都使用非常低電感（個(gè)位數(shù) ΩH 范圍）的電機(jī)。隨著通過(guò)更好的材料和更高強(qiáng)度的永磁體實(shí)現(xiàn)的更高效磁路設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，電磁相的匝數(shù)可以減少，但仍然產(chǎn)生相同的反電動(dòng)勢(shì)。
　　　　表 2.  20 kHz、500 ns 逆變器與具有減少輸入濾波器的 100 kHz、14 ns GaN 逆變器之間的比較 [2]。
　　永磁無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)電壓 e，與速度 ω 成正比（e = Ke · ω），并且給定電機(jī)可以運(yùn)行的最大速度與直流母線電壓和電壓常數(shù) Ke 直接相關(guān)。為了提高速度，有必要通過(guò)減少相線圈匝數(shù)來(lái)降低 Ke，從而按差值的平方減少電感。將電流紋波限制在相電流的 10% 以下是一種良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，并且只能通過(guò)提高 PWM 頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　電流隨時(shí)間的上升與電壓與電感的比率有關(guān)，隨著電感的減小，電流上升得更快，PWM感應(yīng)電流紋波也是如此。減少的電流上升時(shí)間和較大的紋波會(huì)增加產(chǎn)生的熱量并產(chǎn)生額外的 EMI 噪聲，這是不希望的。一般來(lái)說(shuō)，這些電機(jī)具有較小的時(shí)間常數(shù)
　 τ=LRτ=LR
　　，可以受益于 100 kHz PWM 頻率。
　　輸入電流和電壓紋波
　　逆變器中的輸入電壓紋波 Δv與輸出相電流成正比，與 PWM 頻率和輸入電容成反比，如下式：(1)　　Δvin∞1fPWM1相CinΔvin∞1fPWM1相Cin (1)　　

    所需的紋波取決于從直流電源到逆變器的電纜產(chǎn)生的輻射所給出的 EMI 約束。如果PWM頻率在20kHz范圍內(nèi)，則實(shí)際上只能通過(guò)使用體積大且可靠性比陶瓷電容器差的電解電容器來(lái)獲得所需的輸入電容Cin。

　　此外，電解電容器受到流經(jīng)它們的 RMS 電流的限制，因此需要并聯(lián)更多電容器，并導(dǎo)致總輸入電容比設(shè)計(jì)所需的電容高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。當(dāng)頻率增加到 100 kHz 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用 X7R 等陶瓷電容器，請(qǐng)記住，作為設(shè)計(jì)規(guī)則，當(dāng)施加的電壓為額定電壓的一半時(shí)，有效電容會(huì)降至指定值的一半。
　　EPC9173 參考設(shè)計(jì)提供電解電容器和陶瓷電容器，使設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)選擇自己喜歡的開(kāi)關(guān)頻率并根據(jù)需要添加或刪除電容器。