交流機関車の速度制御は変圧器による電圧制御を用いてモーターの出力を調整することで行われる。抵抗器を用いる直流電気機関車と異なり、位相制御を用いた連続電圧制御によりトルクの急変が起きにくく空転を起こしてもすぐに収束するため、加速性能や粘着性能で優位に立つ。ED75形では主磁気増幅器と低圧タップ切換器の組み合わせが採用されたが、大電力制御用シリコン整流器（サイリスタ位相制御）を用いた場合の利点は磁気増幅器とタップ切換器がシリコン整流器に内包されるため、機器減少ならびに小型化による軽量化と完全無接点無電弧化による故障防止などが挙げられ、特に支線区用や酷寒地用車両にはこれらのメリットがより生かせるため次世代形の制御方式として国鉄を中心に研究が進められていた。しかし、当時の交流電気機関車のではこの制御方式が未完成であったためにED93形で初搭載し試験を繰り返し行い、北海道用に特に全サイリスタ制御で製造されたED75 501の運用試験結果を踏まえ、誘導障害対策を施した上で本形式量産機に採用された。
本形式製造前の1965年に試作車として日立製作所で製造されたのがED93 1である。当初は仙山線での運用も考慮されたために作並機関区に配置され、仙山線･東北本線で性能試験の後に1966年1月から仙台 - 作並間で営業列車牽引での試験が行われた。試作機ED93形と本形式量産車との最大の相違点は、量産車では重連総括制御が導入されたために正面に貫通扉を装備するのに対して、ED93形ではEF70形2次型やED76形基本番台に類似する2枚窓の非貫通構造を採用した点である。なお、以下でED93形で試作・検討・試験された新機能について解説を行う。
車体はED75形を母体にしたものでデザインも踏襲されているが、中間に無動力台車を装備するために車体長が延長されたほか、耐寒耐雪構造を強化するために従来屋根上に設置されていた特高機器を室内に配置した点。さらに運転室側窓は下降式などの相違点がある。なお、性能面では新機能を多数搭載したために本形式では試作車が製造された（詳細は後述）。
CAU（cold air unit, コールド・エア・ユニット）の中核をなすのは、ACM（Air Cycle Machine, エア・サイクル・マシーン）と呼ばれる冷却装置である。ボーイング707などの初期の航空機には、家庭用のエアコンと同じような構造を持つ蒸気圧縮冷凍機を用いたものもあった。ACMは、蒸気圧縮冷却器で使われるフレオンの代わりに空気自体を冷媒として用いている。このため、蒸気圧縮機よりも、重要が軽く、整備所要が少ないという利点がある。旅客機の場合、CAUとその関連機器は、エアコン・パック（air conditioning (A/C) packs）と呼ばれる構成品に集約されているものが多い。それは、通常、胴体下部の左右の主翼の間にあるフェアリングの内側に搭載されている。ただし、ダグラスDC-9シリーズの旅客機では機体尾部に、マクドネル・ダグラスDC-10/MD-11およびロッキードL-1011では機首の操縦席下部に搭載されている。2つのエアコン・パックを装備している航空機が多いが、ボーイング747、ロッキードL-1011およびマクドネル・ダグラスDC-10/MD-11は3つのエアコン・パックを装備している。エアコン・パックに供給するブリード・エアの量は、各エアコン・パックに装備されているFCV（flow control valve, フロー・コントロール・バルブ）で調節される。通常運転時には、アイソレーション・バルブを閉鎖し、空気が左側のブリード・システムから右のエアコン・パック（またはその逆）に流れないようにしているが、どちらか一方のブリード・システムが停止した場合にはそれが開放するようになっている。FCVの下流側にあるCAUは、冷却ユニットとも呼ばれ、さまざまな種類のものが存在するが、基本的な構造は変わらない。CAUに流入したブリード・エアは、1次側ラム・エア・ヒート・エクスチェンジャーでラム・エアまたは空気膨張もしくはその両方により冷却される。冷却された空気は、コンプレッサーを通過する間に、再び圧縮・加熱される。次に、2次側ラム・エア・ヒート・エクスチェンジャーを通過し、高圧を保ったまま冷却される。その後、タービンを通過することで膨張し、さらに熱が奪われる。コンプレッサーとタービンは、自動車のターボチャージャーと同じように、同一のシャフト上で回転している。つまり、コンプレッサーは、タービンを通過する際に空気から抽出されるエネルギーを利用して駆動されている。タービンを通過した空気は、再加熱機とコンデンサーに送り込まれ、水分を抽出できる状態に変換された後、水分離機へと送られる。水分離器は、通過する空気に螺旋運動を加え、水分を遠心力で分離し、ドレンから機外へと放出する。多くの航空機においては、キャビン内の空気を清浄に保つため、水分離器コアレッサーのフイルターによって、水分が除去された後の空気をろ過し、エンジン・ブリード・エアからの埃や油分を取り除いている。水分を除去することは、システムを氷で詰まらせたり、地上運転および低高度飛行時にコックピットやキャビンに結露を生じさせたりするのを防止するのに役立つ。氷点下対応型のCAUの場合は、水分の除去をタービンの手前で行うため、送出する空気の温度を氷点下まで下げることが可能である。エアコン・パックから送出される空気の温度は、ラム・エア・システム（次項参照）を通過する流量を調整することにより、およびテンプレチャー・コントロール・バルブ（TCV）を調整して高温のブリード・エアの一部をACMを通過させずにバイパスし、ACMタービン下流の低温の空気に混合させることにより制御することができる。