有鑑於消費電器、建築加熱、通風與空調 (HVAC) 系統以及工業驅動器的能源消耗，大家正努力透過如季節性能效比 (SEER)、最低能源效率標準 (MEPS)、Energy Star 和 Top Runner 等計畫，建立系統效率評等。

變頻驅動器 (VFD) 可在加熱和冷卻系統中提供最佳系統效率，尤其在能準確且廣泛控制速度的情況下，更是如此。VFD 使用逆變器控制馬達速度，以及高頻脈衝寬度調變 (PWM) 切換，以確實掌控變速。

雖然這類逆變器目前為使用絕緣閘極雙極電晶體 (IGBT) 和金屬氧化半導體場效電晶體 (MOSFET) 做為電源開關而得以實現，但有鑑於整體損耗偏高，其切換頻率和電力輸送均受到限制。不過，隨著寬能隙技術的進步，馬達驅動中的氮化鎵 (GaN) 式電源開關可協助提升功率密度、電力輸送與效率。

GaN FET 產生的傳導損耗與 GaN 的導通電阻成比例，這與 MOSFET 相似。但就 IGBT 而言，傳導損耗需視切入電壓和動態導通電阻而定，而其通常會高於 GaN FET 或 MOSFET。

而就切換損耗而言，GaN FET 可提供比 MOSFET 和 IGBT 更低的損耗，原因如下：

• GaN 可提供零反向復原。在零反向復原下，即能以極高電流轉換速率 (di/dt) 和電壓轉換速率 (dv/dt) 切換 GaN FET。在 MOSFET 中，本體二極體受高零反向復原影響，讓切換 di/dt 和 dv/dt 受到限制，並造成額外損耗和相位節點電壓振鈴。若使用 IGBT，即使增添最佳化的反平行二極體，仍可能會產生與反向復原相關的挑戰。
• 關閉時，IGBT 會受到少數載子復合電流 (通常稱為尾電流) 影響，而這會增加關閉損耗。GaN 沒有任何尾電流。
• GaN 可提供比 IGBT 和 MOSFET 更低的電容，進而減少電容切換損耗。
• 受到控制且更快的 di/dt 和受到控制的 dv/dt，有助於在切換期間將電壓電流重疊損耗最佳化。

圖 1 顯示了 GaN 式、IGBT 式與 MOSFET 式解決方案在理論上的逆變器效率比較，其切換頻率為 20kHz，GaN 式逆變器的相位節點電壓轉換速率限制在 5V/ns，環境溫度則為 55°C。您可看到 GaN 解決方案可協助將功率損耗減少至少一半。

圖 2 比較德州儀器 (TI) DRV7308 三相位 GaN 智慧型電源模組 (IPM) 與 5A 額定峰值電流 IGBT IPM 的效率，其具備 20kHz 切換頻率的 300V_DC 電源，以及有 2m 纜線的風扇馬達，環境溫度則為 25°C，並且提供 0.85A 的均方根繞組電流及 250W 的逆變器輸出功率。GaN IPM 的電壓轉換速率設定為 5V/ns。

專為高速設計的永磁同步馬達或是電感較低的馬達，通常需要高 PWM 頻率以減少電流漣波並實現最佳馬達性能。這類終端設備的範例包括吹風機、鼓風機和泵。

馬達繞組中較高的電流漣波可能導致不必要的扭矩漣波、增加銅與磁芯損耗，以及讓切換期間所感測到的平均馬達電流不準確。

MOSFET 式或 IGBT 式 IPM 的額定使用頻率通常為 20kHz；但是由於切換損耗高，通常會在較低的切換頻率 (6kHz 至 16kHz) 下使用。即使在較低的 dv/dt 下，GaN 也可提供更低的切換損耗，因此能以更高的頻率進行切換，進而提升馬達效率和性能。

圖 3 顯示 DRV7308 的功能原理圖，其整合了所有 GaN FET 的前置驅動器，並且具備相位節點電壓的電壓轉換速率控制功能。DRV7308 能以四方扁平無引線 (QFN) 12mm x 12mm 封裝，協助三相位調變、磁場定向控制驅動的 250W 馬達驅動應用，實現超過 99% 的逆變器效率，進而免除對散熱器的需求。