此比較中三個最重要的參數(shù)是較高的帶隙、臨界場和電子遷移率。臨界場以伏特/厘米為單位測量，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)合起來時，如果晶體的臨界場高 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，而這對于硅器件來說成本高昂。為了具有競爭力，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)際上不可能有兩個功率器件。EPC 的 GaN-on-Si 平面技術(shù)沒有這種必須垂直構(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，其中在一個芯片上包含多個 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)動器與高頻 GaN FET 結(jié)合在單個芯片中，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 功率級芯片組于 2021 年被推向市場。
　　GaN 集成電路單片功率級 – EPC2152
　　第一個 ePower Stage 器件于 2019 年推出。EPC2152 是一款單片集成單芯片驅(qū)動器加 GaN FET 半橋功率級 IC。輸入邏輯接口、電平轉(zhuǎn)換、自舉充電和柵極驅(qū)動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 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€ GaN 輸出 FET 設(shè)計為具有相同的 8.5 mΩ 典型 R DS(on)?！　aN FET 與片上柵極驅(qū)動緩沖器的集成實(shí)際上消除了共源極電感和柵極驅(qū)動環(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 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)動參考設(shè)計
　　為了展示 EPC2152 集成電路在電機(jī)驅(qū)動逆變器中的功能，EPC 發(fā)布了 EPC9146 參考設(shè)計。它是一款三相無刷 (BLDC) 電機(jī)驅(qū)動逆變器板，包含三個 EPC2152 單片 ePower 級，最大輸出電流為 15 A pk (10.5 A RMS )。除了單片功率級之外，該板還包含支持完整電機(jī)驅(qū)動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、相電流感測和保護(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間內(nèi)運(yùn)行。
　　GaN IC 功率級芯片組 – 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。在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，通過選擇調(diào)諧電阻器 R BOOT和 R DRV，可以將過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是通過串聯(lián)開關(guān)和同步自舉開關(guān)從外部電源生成的。通過將 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)動電壓源自內(nèi)部低側(cè)和高側(cè)電源。全柵極驅(qū)動電壓僅在 HS IN和 LS IN PWM 輸入運(yùn)行幾個周期后可用。與 EPC2152 相比，EPC23101 與 EPC2302 的結(jié)合使設(shè)計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)動參考設(shè)計
　　為了展示 EPC23101 IC 在電機(jī)驅(qū)動逆變器中的功能，EPC 發(fā)布了 EPC9173 參考設(shè)計。在此板上，三相逆變器的每個半橋均包含兩個 EPC23101 IC，其 PWM 信號交叉連接，允許插入源分流器來讀取電流，如圖 5 所示，其中包含原理圖的一部分。　　通過對低側(cè)開關(guān)使用相同的 IC，可以實(shí)現(xiàn)平衡半橋逆變器，并且兩個開關(guān)都可以相對于電源地浮動。這使得源分流器的插入更加容易，避免輸入 PWM 信號節(jié)點(diǎn)上的接地彈跳。EPC9173 板包含一個過流檢測電路，可用作過流或限流功能，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)時間減少
　　GaN 集成電路和 FET 在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中具有多種優(yōu)勢。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)時間 [2]。
　　傳統(tǒng)的硅 MOSFET 逆變器受到高開關(guān)損耗和換向行為的限制，通常無法在 40 kHz PWM 頻率以上運(yùn)行且死區(qū)時間低于 200 ns?；?GaN 的逆變器在這個意義上不受限制，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)振動的扭矩諧波更少 [2]。
　　圖 6. 具有 50% 占空比方波電壓激勵的電機(jī)中 PWM 引起的損耗測量值與估計值之間的比較 [4]。圖片由 Bodo's Power Systems提供
　　此外，提高開關(guān)頻率有助于減少輸入濾波器并消除對電解電容器的需求。表 2 顯示了兩個逆變器之間的比較，一個以 20 kHz 運(yùn)行，500 ns 死區(qū)時間，另一個基于 GaN，以 100 kHz 運(yùn)行，14 ns 死區(qū)時間。GaN 逆變器沒有輸入電感器，僅使用兩個陶瓷電容器。兩個逆變器在相同的設(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 時間常數(shù)的應(yīng)用
　　所有需要高電頻率和快速動態(tài)的應(yīng)用，例如無人機(jī)螺旋槳和電動自行車踏板電機(jī)，都使用非常低電感（個位數(shù) ΩH 范圍）的電機(jī)。隨著通過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)生相同的反電動勢。
　　　　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]。
　　永磁無刷電機(jī)產(chǎn)生反電動勢電壓 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，有必要通過減少相線圈匝數(shù)來降低 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)計實(shí)踐，并且只能通過提高 PWM 頻率來實(shí)現(xiàn)。
　　電流隨時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。減少的電流上升時間和較大的紋波會增加產(chǎn)生的熱量并產(chǎn)生額外的 EMI 噪聲，這是不希望的。一般來說，這些電機(jī)具有較小的時間常數(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)際上只能通過使用體積大且可靠性比陶瓷電容器差的電解電容器來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)計所需的電容高出一個數(shù)量級以上。當(dāng)頻率增加到 100 kHz 時，設(shè)計人員可以使用 X7R 等陶瓷電容器，請記住，作為設(shè)計規(guī)則，當(dāng)施加的電壓為額定電壓的一半時，有效電容會降至指定值的一半。
　　EPC9173 參考設(shè)計提供電解電容器和陶瓷電容器，使設(shè)計人員有機(jī)會選擇自己喜歡的開關(guān)頻率并根據(jù)需要添加或刪除電容器。