GaN改进了D类放大器

高保真声音再现爱好者是氮化镓 （GaN）基本品质的最新受益者，因为它为这些发烧友在充满挑战的环境中提供了喘息的机会。GaN 解决了他们关于什么是最佳家庭音频设置的难题。

音频放大器的基本类别是 A 类、AB 类和 B 类，它们利用晶体管的线性区域，同时试图以最小的失真重现完美的输入音频信号。已经表明，这种设计可以实现高达 80% 的理论效率，但在实践中，它们的效率约为 65% 或更低。在当今电池供电的智能手机、数字增强无绳技术 （DECT） 手机和蓝牙扬声器的世界中，这种线性方法已成为历史，因为它对电池寿命有巨大影响。与电子行业的大多数其他领域一样，发烧友发现使用切换方法比线性方法提供更好的前景。

对于那些坚持使用经典放大器拓扑结构的人来说，他们的要求将集中在准确的音频再现上，而很少考虑解决方案的整体电气效率。虽然这在家庭音频环境中是完全合理的，但许多应用都需要高放大器效率。这可能是为了节省能源和延长电池寿命，或减少散热，从而获得更密集、更紧凑的最终产品。

在 1950 年代提出的 D 类放大器一直使用一对推/拉配置的开关器件（图 1）。脉冲宽度调制 （PWM） 信号（其占空比由输入的音频信号控制）确保开关器件处于开启或关闭状态，从而将其线性区域内的操作保持在最低限度。这提供了 100% 的理论效率和零失真的可能性。

图 1：D 类放大器设计的基本框图

然后，唯一可用的锗晶体管被证明不适合这种开关拓扑的需求，因此，早期的放大器设计被证明是不成功的。然而，MOSFET 技术的出现使 D 类设计变得吉祥。今天，D 类放大器因其电气效率而在广泛的应用中找到家。它也被证明在设计要求紧凑的地方很受欢迎，例如在今天的平板电视和汽车音响主机中，因为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） 提供了一种新技术，可用作 D 类设计中的开关，从而进一步提高效率并改善音频质量。

满足 D 类放大器的需求

理论上，D 类开关器件的高性能需要提供低导通电阻，以最大限度地减少 I2R 损耗。GaN 提供比 Si MOSFET 低得多的导通电阻，并在更小的芯片面积中实现了这一点。反过来，这体现在设计人员可以用来将更紧凑的放大器推向市场的小型封装中。

开关损耗是另一个需要充分考虑的因素。在中高功率输出水平下，D 类放大器的性能异常高效。但在最低功率输出时，由于功率器件的损耗，效率被证明很差。

为了克服这一挑战，一些 D 类放大器方法使用两种操作模式。这种多电平技术限制了电源设备在播放低音量音频时可以切换到的输出电压。一旦输出量达到预定义的阈值，开关的输出电压轨就会增加，从而使全电压摆幅可用。为了进一步降低开关损耗的影响，零电压开关 （ZVS） 技术可以在低输出量下使用，在高功率水平下改为硬开关。

当使用 Si MOSFET 实现时，由于功率器件关闭和打开时输出端的非零电压，硬开关模式会导致体二极管中的电荷积聚。然后建立的反向恢复电荷 （Q rr ） 需要放电，其时间需要考虑到 PWM 控制实施中。在使用 GaN 的设计中，这不是问题，因为这些晶体管没有固有的体二极管，因此没有 Q rr。其结果是整体效率更高、失真系数得到改善以及开关波形更清晰。

当放大器在 ZVS 模式下工作时，开关损耗和由此产生的开关功率损耗被有效消除，因为输出的转换是通过电感器电流换向实现的。然而，与所有半桥设计的情况一样，需要考虑直通问题，即高侧和低侧开关同时开启的时刻。通常会插入一个称为消隐时间的短延迟，以确保其中一个开关器件在另一个开关器件打开之前完全关闭。应该注意的是，这种延迟会影响 PWM 信号，从而导致音频输出失真，因此目标是尽可能短以保持音频保真度。此延迟的长度取决于功率器件的输出电容 C oss. 虽然 GaN 晶体管并没有完全消除 C oss，但它明显低于 Si MOSFET 器件。因此，在使用 GaN 时，较短的消隐时间会导致放大器失真较小。

尽管有所改进，但存储在该电容中的能量仍然需要处理，在下一个开启周期中消散。但是，由于这些损耗的影响在较高的开关频率下尤为明显，因此基于 GaN 的设计显示出比基于 Si 的放大器更高的效率。

了解如何实现 GaN 的优势

GaN HEMT 晶体管的端子命名方式与 Si MOSFET 相同，具有栅极、漏极和源极。它们非常低的电阻是通过栅极和源极之间的二维电子气 （2DEG） 实现的，由于提供的电子池有效地实现了短路。当没有施加栅极偏压时（V GS = 0 V），p-GaN 栅极停止导通。与硅对应物不同，GaN HEMT 是双向器件。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。之所以注意到它们的干净开关，是因为没有 Si MOSFET 常见的体二极管（图 2）。这是与 PN 结相关的大部分开关噪声的原因。

图 2：GaN HEMT 晶体管的结构

图 2a：与 Si MOSFET 相比，有利于 D 类放大器的优越开关特性

已经实现了无需散热器即可将 160 W 功率传输到 8 Ω 的 D 类放大器设计。其中一个原型使用 IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT 和 IRS20957S，这是一款 200 V D 类驱动器 IC（图 3）。这种特殊的开关提供的 R DS（on）（max）仅为 70 mΩ。如果与散热器一起使用，放大器可以输出高达 250 W 的功率，并且在 100 W 时达到非常可观的 0.008% THD+N。从 ZVS 到硬开关的变化可能会导致 THD+N 测量出现驼峰。该设计在 500 kHz 下工作，失真没有明显变化（发生在几瓦时），硬开关区域保持安静且非常干净。

图 3：250 W D 类放大器设计

Figure 3a： The THD+N measurement

总结

多年来，Si MOSFET 为 D 类放大器设计人员提供了出色的服务，这要归功于在优化其性能方面取得的不断进步。然而，在它们的特性上取得进一步的进展是具有挑战性的。此外，R DS（on）的额外降低将导致更大的芯片尺寸，使得构建紧凑的音频放大器设计变得更加困难。然而，GaN HEMT 突破了这一限制，同时还消除了 Q rr。这一点，再加上它们的 C oss降低和在更高开关频率下工作的能力，意味着可以创建小体积、紧凑的设计，而通常无需求助于散热器。由此产生的 THD+N 测量结果还表明这项新技术可以实现卓越的音频性能。

审核编辑：郭婷