氮化镓(GaN)功率器件正在推动新一代高效率、高功率密度电机驱动系统的发展，使电机驱动逆变器能够在更高的开关频率下运行。因此，基于GaN技术的电机逆变器可实现远高于100 kHz的开关频率，同时降低导通损耗和开关损耗。

这些特性使得无源元件更小、效率更高、系统设计更紧凑。这对于处理微型电机尤为重要，例如安装在中小型无人机以及人形机器人手臂中的电机。这些电机具有极低的电感(几十微亨)和电阻(几百毫欧)，而GaN器件更高的开关频率可实现更高带宽的电机控制，以及更好的动态性能和效率。

随着小型化需求的日益增长，将逆变器的基本功能单片集成到GaN集成电路中已成为一项严格要求。尽管这种集成对半导体制造商构成了重大挑战，但它使设计人员能够简化其布局和应用电路板。

EPC91132 描述

EPC91132参考设计板是一个专为人形机器人关节和小型无人机应用量身定制的完整平台。该板卡可在10V至60V的宽直流输入电压范围内工作，适用于机器人和无人机中常见的各种电源。

如图1a所示的EPC91132，配备了完整电机驱动逆变器的所有特性和功能，包括微控制器、稳压离线电源、直流电压检测、用于转子轴位置和速度控制的板载磁编码器，以及在30A触发具有过流故障信号的电流传感器IC。

图1a

图1b

该逆变器由板载微控制器控制，可通过专用连接器进行编程，并通过RS-485端口进行实时操作。

EPC91132的外形设计采用了分线板概念，以适应两种不同的电机。通过外部PCB环，EPC91132可以安装在用于人形关节电机的Lingkong MG8008E-i9电机中，如图2a[2]所示;移除外部PCB环后，整个逆变器安装在一块直径23毫米的小板上，并可安装在Vertiq 23-06 220KV和23-06 2200KV无人机电机中(图2b)[3]。

图2a

图2b

EPC33110 三相GaN模块描述

EPC91132的核心是宜普电源转换公司(Efficient Power Conversion)的EPC33110模块。EPC33110是一款采用氮化镓技术的三相模块，代表了电机驱动应用功率电子产品领域的最新创新解决方案(图1b)。GaN单片集成电路技术使EPC33110能够在紧凑的外形尺寸下提供卓越的性能。

得益于功率器件的横向传导特性，宜普电源转换公司的GaN IC技术能够将逻辑功能和栅极驱动器集成在与功率FET相同的衬底上，从而实现了单片式功率半桥芯片。

EPC33110实现了三个半桥的共同封装，在保持GaN器件出色电气和热性能的同时，优化了逆变器的整体尺寸[4]。每个半桥都集成了栅极驱动器、自举电路和电平转换器。EPC33110通过消除对分立式栅极驱动器和晶体管元件的需求，简化了系统设计。

图3

将关键功率元件嵌入6x6.5平方毫米的模块中，设计人员只需使用最少的外部元件。三个集成半桥IC的共同封装提高了功率密度，并凭借裸露芯片提供的出色顶部冷却性能，实现了良好的热性能。

EPC33110 在人形关节电机EPC91132中的性能

EPC33110的性能在人形关节电机应用中进行了测试，输入电压为48V，在测功机台架上施加高达11 ARMS的连续相电流负载。在60、80和100 kHz的PWM频率下，以20 ns的死区时间运行，该板卡提供了11 ARMS的连续相电流，温升为70°C。测量分别在EPC91132顶部有电机外壳盖和无电机外壳盖的情况下进行。电机外壳用作散热器，且无强制风冷。

图3显示了EPC33110的温度相对于环境温度和可连续输送到电机的相电流有效值的升高情况。图中的每个点都是在达到热平衡后(约10分钟)测量的。在这些测量过程中，电机转速为100 RPM。

对于测试中使用的电机，其每安培扭矩常数为2 Nm/ARMS，22 Nm的最大负载对应于逆变器每条支路的11 ARMS电流。

直流母线电压 = 48 V，PWM频率 = 60、80、100 kHz。无电机外壳作为模块散热器(左图)和有电机外壳(右图)

温度测量通过在EPC33110模块顶部连接热电偶进行，无论是否有电机外壳作为散热器。同时还使用热像仪记录温度;对于有电机外壳的测量，在外壳上开了一个方孔以便监测内部温度。

虽然对于人形机器人关节，自然对流冷却是唯一选择，但在无人机应用中，螺旋桨会产生强大的气流，为整个系统提供推力和有效冷却，从而提高了逆变器的电流能力。

EPC33110 在无人机电机EPC91132中的性能

EPC33110的性能也在无人机应用中进行了评估，使用了配备12英寸欠驱动螺旋桨的Vertiq 23-06 220KV电机。测试在1000 rpm至3400 rpm(该电机在24V输入电压、上述负载条件下的最高可达转速)的转速范围内进行。

图4

对于每个转速点，通过在EPC33110模块顶部连接热电偶并等待约10分钟直至达到热平衡来测量器件温度。测量了每个转速点所需的平均输入功率(图4)，并估算了每个转速点的螺旋桨扭矩(图5)。

无人机电机以100 kHz的开关频率和20 ns的死区时间驱动。器件的最大温升约为4°C(环境温度为26°C)。

图5

结论

EPC91132是一款直径为23毫米的小型电机驱动逆变器参考设计，适用于人形机器人手腕和手部以及无人机。EPC91132的核心是EPC33110 GaN模块，该模块基于宜普电源转换公司的GaN单片集成电路技术。

EPC33110是一款紧凑型三相模块，采用6x6.5毫米QFN封装，集成了三个GaN半桥，并内置栅极驱动器、自举电路和电平转换器，针对电机控制进行了优化。单个5V电源即可为该模块供电，使其能够在高达80V的电压下工作，典型导通电阻为11.7 mΩ，支持3.3V或5V逻辑输入。

EPC33110专为驱动无人机和人形机器人中常用的三相永磁电机而设计。EPC91132参考板支持这些应用，具有10–60V的宽输入电压范围，并包含完整的电机驱动功能。

得益于裸露芯片优化的顶部冷却，EPC33110每相可连续提供高达11 ARMS的电流，这在测功机台架上安装的人形关节电机的稳态测试中已得到验证。