隨著工藝的進步和缺陷率的不斷降低，GaN在交直流電力轉換、改變電壓電平、并且以一定數量的函數確保可靠電力供應的電子電源中的優(yōu)勢越來越明顯。電源設計人員正在重新思考電路的設計，試圖尋找能充分發(fā)揮全新GaN晶體管潛能又能避免負面影響的方法來創(chuàng)造電源系統(tǒng)。思考這類問題時通常的思路是在現有組件中尋找解決方案—GaN開關，Si開關驅動器，高速開關控制器，以及功率電感器、變壓器和電容器等總體設計中的部件。生產電源產品的集成電路(IC) 制造商如果能用共同設計的器件提供系統(tǒng)級解決方案，甚至在模塊封裝中集成多個芯片，就能夠大大提高電源設計可能性。

對于電源設計人員來說，驅動eGaN器件需要考慮的因素：

(1)低閾值電壓

GaN FET 的閾值電壓一般低于1.5V ，最小值低至0.7V ，相比很多MOSFETs低，但它隨溫度幾乎平緩變化。低閾值電壓帶來的問題：

1)在實際電路中柵極驅動路徑上會存在漏電感以及柵電容，這些寄生因素在開關瞬態(tài)會引起振蕩， 一些小幅度的電壓上升通?？赡軙粬艠O檢測到， 導致誤開啟甚至穿通。

2)最常用到的柵驅動電路是推拉輸出結構( 如圖表4)，利用P型FET作為高端， N型FET作為低端。當驅動功率MOS 時，通常將一個二極管并聯在柵極電阻上來控制開啟速度而不影響關斷速度。但是，對于GaN來說，此電路不能使用。因為二極管的正向壓降可能會大于閾值電壓的最小值，阻斷GaN FET 的關斷。

3)由于雜散電感的存在，它與寄生的電容在柵極會引起較大的噪聲電壓，導致誤開啟。

圖4.傳統(tǒng)MOSFET 柵驅動結構

(2)柵源電壓上限要求嚴格：VGS(MAX)=6V。一方面， VGS必須被設定在5.5V 以下來預留0.5V 的安全余量。另一方面，從Rds(ON) 與VGS曲線看出，在VGS=4.5-5.5V 時， Rds(ON)可以達到最小值，意味著降低傳導損耗。綜合考慮，將VGS設置在5V。柵源電壓設計要求帶來的問題：必須對柵源電壓進行嚴格控制， 避免損壞GaN FET功率管柵極，適用于MOSFETs驅動的普通偏置不能被直接使用。

圖表5 自舉箝位技術

在自舉電路中進行箝位設計（如圖表5），可以保證VGS低于6V。開啟驅動過程中的充電，可能會引起一個欠阻尼震蕩，從而引起過沖， 導致損壞。所以可以通過限制充電速度的方法，及串聯電阻在充電支路，從而得到克服。

(3)GaN FET 反向導通

GaN FET 的IV 轉移特性曲線如圖表6所示，從圖可以看出GaN FET 可以反向導通。反向導通特性代替了普通MOSFET 體二極管的續(xù)流作用，但其較高的反向導通壓降引起了新的問題。

圖表6 GaN FET 的IV 轉移特性曲線

問題1：反向導通壓降較大。如圖表7所示，當低端FET 導通時， VCC通過自舉二極管對自舉電容進行充電，充電后的電容為高端FET提供偏置，該技術運用到GaN FET 時，自舉電容兩端的電壓：Vboot=Vcc-VF+Vsd _ Q1。VF為二極管壓降，VCC通常為 5V，由于Vsd_Q1會隨著負載電流的增加而迅速增加， 使得Vboot的值會很快上升至超出最大電壓6V ，高端FET受損。

圖表7.自舉技術驅動高端FET

問題2：反向導通造成較大損耗， 降低了系統(tǒng)效率。根據圖表6所示的GaN FET 的IV 轉移特性，反向導通時柵源電壓決定了反向導通的開啟程度， 柵源電壓的負向過沖造成反向導通的阻抗增大，如此造成大負載電流時的功率管熱損耗非?？捎^，所以需要負向過沖盡量小。

(4) EMI 問題

由于GaN可以工作在較高的頻率， 所以存在較大的dV/dt ，。這將會引起嚴重的EMI 問題?？梢圆捎脭U頻或者柵極分段驅動的方式，進行改善。同樣該方法可以解決問題(1)中提及的柵極振蕩引起的誤動作問題。

針對上述問題，IC供應商提供的解決方案是將上述提到的FET，驅動器以及為開關提供支持的無源器件封裝在同一個模塊中(圖表8所示)，這樣將會極大地減少SMPS的大小和組件數量。物理尺寸的減少也將意味著系統(tǒng)制造成本的降低，以及基于GaN設計的高效率。

圖表8集成GaN開關柵極驅動器模塊

降低設計復雜度與縮小解決方案尺寸同樣重要。一個驅動器開關模塊將芯片間的連接線減小到盡可能短的長度，從而最大限度地縮短了延遲時間，并減少了那些使開關脈沖輸出失真的寄生阻抗。一款設計良好的模塊將大大減少多芯片設計的寄生因子，其中的某些因子會減少一個數量級，甚至更多。

提供系統(tǒng)級解決方案的另外一個重要因素是控制器，這款器件必須在GaN支持的高頻率下運行，必須實時地對輸出電壓的變化做出響應。其時間分辨率也必須符合精確脈寬要求，以最大限度地減小死區(qū)時間內的傳導損耗。幸運的是，現有的數字電源控制器可以滿足這些要求，從而提供可被用于系統(tǒng)其它位置的額外性能和I/O功能。Ti提供數字電源控制方面的全面專業(yè)知識，這些知識與公司的電源技術一起，提供針對GaN穩(wěn)壓和受控開關的系統(tǒng)級解決方案。

另外還需要針對基于GaN設計的磁性元件設計，因為目前磁性元件仍然在硅材料所實現的頻率下工作。電源制造商和GaN研究機構通力協(xié)作，隨著基于GaN的電源組件不斷上市，并且供應量在不斷的增加，磁性元件供應商將會收到客戶的大量請求，要求他們引入支持這項技術的組件。一旦條件成熟，業(yè)界就能夠在很多電源應用中充分利用GaN所帶來的優(yōu)勢。