为什么GaN用于D类放大器独有优势

品慧电子讯传统的音频放大技术是一个充满挑战的领域，发烧友们对于构成家庭音频最佳设置的要素有明显不同意见。对于那些坚持使用经典放大器拓扑架构的用户，他们的要求主要集中体现在准确的音频再现方面，而几乎不考虑解决方案的整体用电效率。

传统的音频放大技术是一个充满挑战的领域，发烧友们对于构成家庭音频最佳设置的要素有明显不同意见。对于那些坚持使用经典放大器拓扑架构的用户，他们的要求主要集中体现在准确的音频再现方面，而几乎不考虑解决方案的整体用电效率。虽然这在家庭音频环境中完全合理，但在许多其它应用中都要求较高的放大器效率。这或许是为了节省能源，并延长电池寿命，或是为了减少散热，从而使产品更致密、更紧凑。

音频放大器有几种基本类型，包括A类、AB类和B类，它们都利用其晶体管的线性区域，并以最小失真完美地再现输入音频信号。研究表明，这种设计理论上可以实现高达80％的效率，但实际上，它们的效率约为65％或更低。在当今由电池供电的智能手机、数字增强型无绳电信（DECT）手机和蓝牙扬声器等电子产品中，效率低下会对电池寿命产生巨大影响。像在电子行业的大多数其他领域（如电源转换器）一样，使用开关技术，而非线性技术的设计方法似乎能够有望实现突破。

D类放大器首先是在上世纪50年代出现，它使用一对开关器件进行推/挽配置（图1）。脉冲宽度调制（PWM）信号占空比由输入音频信号控制，可确保开关器件处于打开或关断状态，从而将其线性区域的操作保持在最低水平。这不仅能够实现100％的理论效率，而且还具有零失真的潜力。

当时，市场上只有锗晶体管，但是它经过证明不适合这种开关拓扑架构的需求，因此早期的放大器设计并不成功。直到后来，随着MOSFET技术的出现，D类设计才得起死回生。如今，此类放大器因其高能效而在各个领域得到广泛应用。在当今的平板电视和汽车音响控制单元等设计中，紧凑性是一项非常迫切的要求，D类放大器在其中也很受欢迎，因为它通常不需要笨重的散热器。

基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种新技术，可用作D类设计中的开关器件，并可提供更高的效率和音频质量。

满足D类放大器的需求

为了能够接近D类放大器理论上的高性能，开关器件需要具备低导通电阻，以最大程度地降低I2R损耗。GaN器件具有比Si MOSFET低得多的导通电阻，并且可以通过较小的芯片面积实现。反过来，这种小芯片封装也可以帮助设计师将更多紧凑型放大器推向市场。

开关损耗是另一个需要充分考虑的因素。在中、高功率输出时，D类放大器的性能非常出众。但是，由于功率器件中的损耗，功率输出最低时的效率也最低。

为了克服这一挑战，一些D类放大器采用两种工作模式。在播放低音量音频时，这种多级技术限制了功率器件可以切换到的输出电压。一旦输出音量达到设定的阈值，开关的输出电压轨就会增大，从而可提供完整的电压摆幅。为了进一步降低开关损耗的影响，在低输出量时可以使用零电压开关（ZVS）技术，而在高功率水平时改为硬开关。

当使用Si MOSFET实施时，由于功率器件关断和导通时输出的非零电压，硬开关模式会导致体二极管中产生电荷累积。之后，积累的反向恢复电荷（Qrr）需要放电，这其中需要的时间在PWM控制实施过程中应该考虑。而如果采用GaN进行设计，则没有这个问题，因为这些晶体管没有固有的体二极管，因此也就没有Qrr，这样可以实现更高的总体效率、改进的失真系数以及更清晰的开关波形。

放大器在零电压开关模式下工作时，由于输出的转变是通过电感电流换向来实现，可有效消除开关中的开关损耗和由此产生的功率损失。然而，与所有半桥设计一样，需要考虑直通（shoot-through）问题，即高侧和低侧开关同时导通的现象。通常可以插入一个称为消隐时间（blanking time）的短延迟，以确保其中一个开关在导通之前另一个开关完全关断。需要注意的是，该延迟会影响 PWM 信号，导致音频输出失真，因此设计中的一个目标是尽可能缩短延迟，以维持音频保真度。该延迟的长度取决于功率器件的输出电容Coss。虽然GaN晶体管尚未完全消除Coss，但明显低于Si MOSFET器件。因此，使用 GaN 时，其较短的消隐时间会导致更小的放大器失真。

尽管上面提到的改进，这种电容中储存的能量仍有待处理，在下一个导通周期中被消耗掉。但是这些损耗的影响在较高开关频率下尤其明显，因此基于 GaN 的设计比 Si放大器具有更高的效率。

如何实现GaN 的优势

GaN HEMT 晶体管与 Si MOSFET 命名其各个端子的方式完全相同，具有栅极、漏极和源极。借助于栅极和源极之间的二维电子气体（2DEG），它们实现了极低电阻，由于提供有电子池，因此可有效地实现短路。当不加栅极偏压（VGS = 0V）时，p-GaN栅极将停止导通。GaN HEMT 是双向器件，这一点与硅器件不同。因此，如果允许漏极电压降至源极电压以下，则可能会产生反向电流。GaN HEMT 晶体管具有洁净的开关波形，这也是其优势所在，主要是没有Si MOSFET中常见的体二极管（图2）。这是与 PN 结相关的大量开关噪声的原因。

业界已经证实，在无散热片情况下，D类放大器设计可向8Ω负载提供160W功率。一种此类原型采用了IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT与200V D类驱动器IRS20957S（图3），这种特殊的开关其RDS（on）（max）仅为70mΩ。如果使用散热器，则放大器可以输出高达250W的功率，并且在100W时达到非常卓越的0.008％THD+N。从零电压开关到硬开关可能会导致THD+N测量值出现驼峰。工作在500 kHz频率时，该设计没有表现出明显的失真变化（发生在几瓦情况下），并且硬开关区域保持非常安静和清洁。

总结

多年来，设计人员一直在使用Si MOSFET 进行 D 类放大器设计，这要归功于其在性能优化方面不断取得的进步。然而，要进一步改进Si MOSFET功能和特性已经非常困难。此外，降低RDS（on）将需要更大的晶片尺寸，导致更难以构建紧凑的音频放大器设计。然而，GaN HEMT突破了这一限制，同时也消除了Qrr，再加上较低的Coss以及在较高开关频率下运行的能力，可以创建体积更小、更加紧凑的设计，通常情况下无需使用散热器。所进行的 THD+N 测量还表明，这项新技术可以实现出色的音频性能。

（来源：EEWORLD，作者: 英飞凌科技D类音频首席工程师Jun Honda，系统应用工程师Pawan Garg）

免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理。

推荐阅读：
如何在“新基建”的风口起飞？这里有10套方法论拿走不谢
从三个方面入手解决开关电源的噪音
共源JFET放大器分析
第十二届广州国际电线电缆及附件展览会敲定11月新展期
聚焦成渝地区双城经济圈制造业融合，助力“甜城智造”