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英飛凌作為功率半導體的領導廠家，推出了一款48V/150A電流的氮化鎵電機驅動demo板。功率部分，采用8并用48pcs GaN方案，GaN型號IGC025S08S1，80V耐壓，尺寸3mm * 5mm，最大內阻2.5mohm。所有并聯的GaN由1pcs GaN驅動器1EDN7116U驅動。該評估板，只有逆變器功率部分和電流采樣，需要另外的控制板卡發出控制信號，接受用戶指令和編碼器反饋信號。該評估板用于驗證GaN高功率密度的方案，整體尺寸為 135 mm×90 mm，整板高度較低，因為GaN的高工作開關頻率，有效降低了直流電容需求量，全部采用貼片的瓷片電容，等效串聯電阻（ESR）最低，可承受大電流紋波，沒有使用電解電容。80V CoolGaN?晶體管 IGC025S08S1 為裸片外露式 PQFN 封裝的頂部散熱器件，可以搭配頂部散熱器，實現更高效率的散熱。相電流由霍爾電流傳感器采樣，傳感器采用電氣隔離設計，并配備過流保護（OCP）功能。直流電壓通過分壓電路采樣，用于實現欠壓和過壓保護。- 過流檢測（OCD）：可選 492A 或 834A 閾值
開發板的頂部視圖如下，包含48V輸入端子，電機U/V/W輸出端子，LDO電路以及TLE4972霍爾電流傳感器，連接器端子。開發板底部視圖如下，包含GaN逆變器部分，6pcs 1END71x6U driver，直流側瓷片電容，溫度傳感器。選取的GaN是頂部開窗散熱的方式，所以帶滿功率的情況下，需要帶散熱片。為方便評估測試，EVAL_MTR_48V150A_GaN 板卡配備金屬散熱片，模擬 PCB 板與金屬機箱的安裝貼合效果。板卡配套提供以下散熱片安裝配件：- 3 片導熱界面材料（TIM）墊，尺寸均為 35mm×30mm（型號 T-Global TG-A1250，厚度 500μm），或導熱間隙填充材料
- 1 塊帶集成支撐柱和定位銷的鋁制散熱片 / 散熱器
- 2 卷聚酰亞胺膠帶（尺寸分別為 15mm×122mm 和 12mm×122mm）
聚酰亞胺膠帶用于防止散熱片與直流母線電容之間發生短路。本設計選用 1EDN7116U 的原因是其提供 2A 峰值灌 / 拉電流，此外，該驅動器的輸出級集成有源米勒鉗位功能：在關斷瞬態后，當柵極電壓降至 0.4V 以下的 3ns 內，下拉驅動能力可提升至 5A；驅動器鎖存至該狀態后，將通過 0.3Ω 的下拉電阻將柵極電壓保持在關斷電壓（VOFF）。通過該設計，工程師可在不降低氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）抗感應開通能力的前提下，調整其關斷速度。電流采樣使用的TLE4972 為霍爾效應傳感器，在輸出相線上采樣，相比于下橋臂電阻采樣，可以實現更高的占空比。
除了實現相電流的隔離采樣，TLE4972 還通過開漏輸出引腳 OCD1 和 OCD2 提供過流檢測功能，閾值分別為 834A 和 492A，默認采用 492A 閾值。
半橋的layout，箭頭指示漏極開關電流流向和板層堆疊
下圖的相節點在第二和第三內層進行重復布線，確保板層對之間的耦合最小；此外，為限制這些板層的噪聲，在第一層和第四層布置接地平面并增大間距（d1 和 d2），以降低電容耦合。
下圖分別為低端和高端柵極驅動器至并聯器件的布線及回流路徑。
電源電路，48V轉12V采用BUCK電路，12V轉3.3V電路采用LDO。
板載3pcs溫度傳感器NTC，用于檢測PCB表面溫度。
當開關頻率低于100kHz，根據電源線長度和電源阻抗，可以需要考慮增大直流側的電容容量。PCB上已經預留了電解電容的封裝，直接焊接即可。
PCB還預留了Vds和Vgs等關鍵波形測試點，為了保證測試精度，建議采用緊湊的測試回路，最好使用地線環測試或者短接地彈簧，嚴禁使用超過1cm的長導線接地，即使雙絞線因為寄生電感的影響也會大幅度降低測試精度。
PCB上柵極電阻和柵源極電容，可以根據實際du/dt來調整。
下圖為48V輸入，130A負載電流，100kHz開關頻率下管的開通Vds波形，dv/dt典型值5V/ns，最大值11V/ns.
下圖是兩種不同死區時間下的損耗測量結果，對比了自然散熱和強制風冷在重載條件下的損耗差異，同時給出了熱像儀測得的溫度變化。
高 dV/dt方案的性能最優，效率最高。但在對噪聲敏感的應用場景或搭配長導線時，可適當降低dv/dt，犧牲一部分效率，保證GaN工作在更穩定的開關狀態，避免Vds和Vgs的振蕩。測試結論：
- 板卡可穩定驅動近 90A（有效值） 相電流，輸出機械功率 3400W；
- 逆變器在最大功率點的效率達 99%，該值并非逆變器的極限效率
- 無風扇、40ns 死區時間、100kHz 開關頻率下，系統運行穩定，散熱器溫度無明顯過高。
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