叉車應用的逆變器由 24 V 至 120 V 之間的直流電壓供電，可提供高達 900 ARMS 電機相電流。通常，每個生產商都有一個平臺方法，并銷售按電壓范圍劃分的產品系列，其中逆變器的大小取決于在瞬態期間（例如，2分鐘）可以實現的最大電流。

這些應用的典型逆變器包含在IP65等級的外殼（例如：150 mm x 120 mm x 60 mm）中，并帶有厚鋁底板。在外殼內部，功率晶體管通過熱和機械連接到鋁基板的絕緣金屬基板 （IMS） 板上。IMS板上方是一個超高密度PCB，帶有柵極驅動器、模擬信號調理、電源和至少兩個微處理器，一個專用于功能，另一個專用于安全。需要一定數量的并聯晶體管來處理電流和導通和開關耗散產生的熱量。

目前，硅MOS技術主導著市場，對可并行使用的最大器件數量、最大PWM開關頻率和互補開關之間的死區時間施加了限制。第一個約束限制了最大電流，而另外兩個約束降低了電機效率。借助GaN技術，這種情況正在不斷發展。

氮化鎵優勢

半導體材料中的臨界場決定了器件的擊穿電壓。對于給定的擊穿電壓，電場越高，漂移區域的寬度越短。在GaN晶體管中，臨界場比硅高一個數量級，二維電子氣體（2DEG）產生的電子遷移率使得導通電阻低，同時保持其尺寸小。

氮化鎵技術是平面的;對于給定的導通電阻，這些器件的電容比硅器件低約一個數量級。更小的尺寸和電容允許在同一基板上并聯更多器件以處理更多電流。此外，較小的電容有助于提高PWM頻率并減少死區時間，從而提高電機效率。

簡化電機驅動應用中氮化鎵晶體管的布局

氮化鎵晶體管的開關速度比等效的硅MOSFET快。但是，權力越大，責任越大：布局必須精心設計。漏源電源環路電路和柵源環路電路對寄生電感很敏感。這對于開關頻率必須在200 kHz以上的功率轉換器中非常重要。電機驅動GaN逆變器的開關頻率高達100 kHz，開關dv/dt設置為小于10 V/ns，以兼容電機繞組絕緣高頻擊穿要求。雖然大多數布局考慮因素仍然成立，但其他考慮因素可以在不影響最終結果的情況下放寬。

氮化鎵場效應管基本布局指南

在不影響模塊化的情況下，降低寄生電感并遵循對稱方法至關重要。三種類型的寄生電感會對逆變器運行產生不利影響，如圖1所示：

1. 共源寄生電感（CSI）（圖1綠色框）：GaNFET柵極信號的返回路徑必須與源極焊盤中的高電流路徑分開。這種寄生電感對轉換器工作有最大的不利影響，也是設計評審中最常見的錯誤。EPC GaN FET 沒有專用的開爾文柵極回路連接，因此必須在 PCB 布局中進行此連接 [1]。
2. 電源回路寄生電感（L 圈 ）（圖1棕色框）：包含DC+和GND的高頻電流環路必須具有低電感以減少振鈴，這會導致損耗和相關的EMI產生。GND平面的內部垂直布局已被證明會產生最低的電感布局[3]。
3. 柵極環路寄生電感（L 門 ）（圖 1 洋紅色盒）：GaN FET 柵極的推薦電壓額定值和最大額定電壓比硅 MOSFET 更嚴格;因此，必須特別注意柵極信號路徑，該路徑必須始終與柵極回路配對。這是設計評審中遇到的第二個最常見的錯誤。并聯FET時，所有柵極路徑應具有相同的阻抗（即相同的長度），以匹配每個柵極的電壓幅度和傳播。

* 圖1. 寄生電感：（1） CSI，（2） 電源環路，（3） 柵極環路。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

* 圖2. 并聯 a） 晶體管與 b） 半橋。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

這些規則的一個結果是，對于高頻GaN轉換器，通常并聯半橋而不是并聯晶體管。示例如圖 2 所示。但是，EPC9186參考設計采用并演示了一種更簡單的方法，因為電機驅動器的開關速度比高頻轉換器慢。

EPC9186布局方法

EPC發布了幾款使用GaN FET和GaN集成電路的電機驅動逆變器參考設計板。所有參考設計板共享相同的框圖和控制器連接器，以幫助設計人員在逆變器系列的設計階段擴大電流和電壓。

新EPC9186尺寸為10 cm x 13.5 cm，是額定電壓為100 V和150 ARMS穩態相電流的電機驅動逆變器的功率部分。它包括一個 10 層 2 oz FR4 PCB 和輔助電源，可從直流母線、相電壓、電流檢測電路和過流保護比較器產生 5 V 和 3.3 V。EPC9186電機驅動逆變器可與EPC9147x控制器配對，允許設計人員使用他們喜歡的運動控制器。

EPC9186開關電池有四個并聯的EPC2302晶體管，采用簡化的布局放置，放寬了并聯GaN FET設計規則。柵極驅動器位于開關單元的左側;低側和高側GaN FET排成兩排，朝向相位輸出連接器。

圖3顯示了EPC9186板和開關單元的細節，其中L1和H1是最接近柵極驅動器的低側和高邊晶體管，L4和H4是離柵極驅動器最遠的晶體管。電機相位輸出連接器如圖所示。

圖3.EPC9186 100 V， 150 A有效值每相電機驅動板。切換右側的單元格詳細信息。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]

此布局部分遵循上一節中給出的內部垂直布局規則 b）;也就是說，第一內層是GND連接，以最小化電源環路電感，但是，由于開關DV / DT較低，開關單元沒有高頻電容器。EPC9186中沒有嚴格遵循所有柵極信號具有相同長度的通用準則，因為柵極路徑長度隨著與柵極驅動器的距離而增加。柵極信號封裝在相應柵極信號回路的兩層內，用作屏蔽。這兩層連接到每個晶體管的單個開爾文點，以降低共源電感。

EPC9186實驗結果

實驗測試表明，簡化開關電芯功率部分布局方法不會損害逆變器性能。圖4顯示了所有晶體管中的干凈柵極信號，與柵極驅動器的距離無關。圖5顯示了穩態相電流能力與可接受的溫升的函數關系。穩態電流取決于熱條件，電路板使用由400 LFM氣流冷卻的散熱器進行測試。

* 圖4. 在+100 A和?80 A電機相電流下，柵極信號為H1-L1與H4-L4。時間 50 納秒/格圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

* 圖5. EPC9186電流與溫度和頻率的關系。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

結論

EPC GaN FET 器件比硅 MOSFET 小，并且對外殼的熱阻較低，允許雙面冷卻。它們允許并聯更多設備，可以在相同的逆變器外殼體積內傳導更多電流，同時表現出卓越的熱管理。這有利于電池供電的工業車輛，如叉車、手動搬運機或倉庫自動車輛，這些車輛需要更小體積的更高電流。