高保真聲音再現(xiàn)發(fā)燒友是氮化鎵（GaN）基本質(zhì)量的最新受益者，因?yàn)樗惯@些發(fā)燒友在充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的環(huán)境中得到了喘息。GaN解決了他們關(guān)于最佳家庭音頻設(shè)置構(gòu)成的難題。

音頻放大器的基本類(lèi)別是A類(lèi)，AB類(lèi)和B類(lèi)，它們利用其晶體管的線(xiàn)性區(qū)域，同時(shí)嘗試以最小的失真來(lái)重建完美的輸入音頻信號(hào)。已經(jīng)表明，這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)80％的理論效率，但實(shí)際上，它們的效率約為65％或更低。在當(dāng)今電池供電的智能手機(jī)，數(shù)字增強(qiáng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)（DECT）手機(jī)和藍(lán)牙揚(yáng)聲器領(lǐng)域，這種線(xiàn)性方法已成為歷史，因?yàn)樗鼘?duì)電池壽命產(chǎn)生了巨大影響。與電子行業(yè)的大多數(shù)其他領(lǐng)域一樣，發(fā)燒友發(fā)現(xiàn)使用切換方法比線(xiàn)性提供了更好的承諾。

對(duì)于堅(jiān)持使用經(jīng)典放大器拓?fù)漕?lèi)別的用戶(hù)，他們的要求將集中在準(zhǔn)確的音頻再現(xiàn)上，而幾乎不考慮解決方案的整體電效率。雖然這在家庭音頻環(huán)境中是完全合理的，但許多應(yīng)用都要求高放大器效率。這可能是為了節(jié)省能源并延長(zhǎng)電池壽命，或者是為了減少散熱，從而使最終產(chǎn)品更致密，更緊湊。

在1950年代提出的D類(lèi)放大器一直使用一對(duì)推/拉配置的開(kāi)關(guān)器件（圖1）。脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)的占空比由輸入的音頻信號(hào)控制，可確保開(kāi)關(guān)設(shè)備處于打開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài)，從而將其線(xiàn)性區(qū)域的操作保持在最低水平。這提供了100％的理論效率以及零失真的可能性。

圖1：D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)的基本框圖

然后，事實(shí)證明，僅有的可用鍺晶體管不適合這種開(kāi)關(guān)拓?fù)涞男枨?，結(jié)果，早期的放大器設(shè)計(jì)被證明是不成功的。但是，MOSFET技術(shù)的出現(xiàn)使D類(lèi)設(shè)計(jì)獲得了吉祥。如今，D類(lèi)放大器因其電氣效率而在各種應(yīng)用中找到了家。在緊湊性是設(shè)計(jì)要求的情況下，例如在當(dāng)今的平板電視和汽車(chē)音響主機(jī)中，它也很受歡迎，因?yàn)橥ǔ２恍枰恐氐纳崞鳌?/p>

基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）提供了一種用作D類(lèi)設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)的新技術(shù)，并具有更高的效率和音頻質(zhì)量的提高。

符合D類(lèi)放大器的需求

從理論上講，D類(lèi)開(kāi)關(guān)器件的高性能需要提供低導(dǎo)通電阻，以最大程度地降低I2R損耗。GaN提供的導(dǎo)通電阻比Si MOSFET低得多，并且可以在較小的裸片面積中實(shí)現(xiàn)。反過(guò)來(lái)，這也體現(xiàn)在小包裝中，設(shè)計(jì)人員可以使用小包裝將更緊湊的放大器推向市場(chǎng)。

開(kāi)關(guān)損耗是另一個(gè)需要充分考慮的因素。在中高功率輸出電平下，D類(lèi)放大器的性能異常出色。但是，由于功率器件中的損耗，效率最低的是最低功率輸出。

為了克服這一挑戰(zhàn)，某些D類(lèi)放大器方法使用兩種工作模式。這種多級(jí)技術(shù)限制了當(dāng)播放低音量音頻時(shí)功率設(shè)備可以切換到的輸出電壓。一旦輸出量達(dá)到預(yù)定義的閾值，開(kāi)關(guān)的輸出電壓軌就會(huì)增加，從而提供完整的電壓擺幅。為了進(jìn)一步減少開(kāi)關(guān)損耗的影響，可以在低輸出量時(shí)使用零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）技術(shù)，而在高功率水平時(shí)改為硬開(kāi)關(guān)。

當(dāng)使用Si MOSFET實(shí)施時(shí)，由于在功率器件關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)輸出處的非零電壓，硬開(kāi)關(guān)模式會(huì)導(dǎo)致體二極管中產(chǎn)生電荷積聚。隨后需要建立的反向恢復(fù)電荷（Qrr）需要放電，并且需要將其時(shí)間納入PWM控制實(shí)現(xiàn)中。在利用GaN的設(shè)計(jì)中，這不是問(wèn)題，因?yàn)檫@些晶體管沒(méi)有固有的體二極管，因此沒(méi)有Qrr。這樣的結(jié)果是總體上更高的效率，失真度的改善以及更清晰的開(kāi)關(guān)波形。

當(dāng)放大器在ZVS模式下工作時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)功率損耗可以有效消除，因?yàn)檩敵龅倪^(guò)渡是通過(guò)電感器電流換向?qū)崿F(xiàn)的。但是，與所有半橋設(shè)計(jì)一樣，需要考慮直通問(wèn)題，即同時(shí)接通高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)的時(shí)刻。通常插入一個(gè)短的延遲，稱(chēng)為消隱時(shí)間，以確保其中一個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備在另一個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備打開(kāi)之前完全關(guān)閉。應(yīng)當(dāng)注意的是，這種延遲會(huì)影響PWM信號(hào)，從而導(dǎo)致音頻輸出失真，因此，目標(biāo)是使其盡可能短，以保持音頻保真度。此延遲的時(shí)間長(zhǎng)度取決于功率器件的輸出電容Coss。盡管GaN晶體管尚未完全消除Coss，但它遠(yuǎn)低于Si MOSFET器件的Coss。結(jié)果，較短的消隱時(shí)間使放大器在使用GaN時(shí)失真較小。

盡管有所改進(jìn)，但仍需要處理存儲(chǔ)在該電容中的能量，并在下一個(gè)導(dǎo)通周期中將其消散。但是，由于這些損耗的影響在較高的開(kāi)關(guān)頻率下尤其明顯，因此基于GaN的設(shè)計(jì)顯示出比基于Si的放大器更高的效率。

了解如何實(shí)現(xiàn)GaN的好處

GaN HEMT晶體管的端子名稱(chēng)與Si MOSFET相同，具有柵極，漏極和源極。它們的極低電阻是通過(guò)柵極和源極之間的二維電子氣（2DEG）實(shí)現(xiàn)的，由于提供的電子池，有效地實(shí)現(xiàn)了短路。當(dāng)未施加?xùn)艠O偏置時(shí)（VGS= 0 V），p-GaN柵極停止導(dǎo)通。不同于其對(duì)應(yīng)的硅，GaN HEMT是雙向器件。結(jié)果，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則反向電流會(huì)流動(dòng)。需要注意的是，它們的干凈開(kāi)關(guān)是由于缺少Si MOSFET共有的體二極管（圖2）。這是與PN結(jié)相關(guān)的許多開(kāi)關(guān)噪聲的原因。

圖2：GaN HEMT晶體管的結(jié)構(gòu)

圖2a：優(yōu)于Si MOSFET的D類(lèi)放大器的出色開(kāi)關(guān)特性

已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)，無(wú)需散熱片即可將160 W功率轉(zhuǎn)換為8Ω。一種這樣的原型將IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT與200 V D類(lèi)驅(qū)動(dòng)器IRS20957S一起使用（圖3）。這種特殊的開(kāi)關(guān)的RDS（on）（max）僅為70mΩ。如果與散熱器一起使用，該放大器可以輸出高達(dá)250 W的功率，并且在100 W時(shí)達(dá)到非?？捎^的0.008％的THD + N。從ZVS切換到硬開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致THD + N測(cè)量值出現(xiàn)駝峰。在500 kHz的頻率下工作，該設(shè)計(jì)沒(méi)有顯示出明顯的失真變化（發(fā)生在幾瓦特的情況下），并且硬開(kāi)關(guān)區(qū)域保持安靜且非常干凈。

圖3：250 W D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)

圖3a：THD + N測(cè)量

概括

多年來(lái)，由于在優(yōu)化性能方面不斷取得進(jìn)步，Si MOSFET為D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)人員提供了出色的服務(wù)。但是，要實(shí)現(xiàn)它們的特性方面的進(jìn)一步進(jìn)步具有挑戰(zhàn)性。此外，RDS（on）的進(jìn)一步減小將導(dǎo)致更大的裸片尺寸，從而使構(gòu)建緊湊的音頻放大器設(shè)計(jì)更加困難。然而，GaN HEMT突破了這一限制，同時(shí)還消除了Qrr。這樣，再加上降低的Coss和在較高的開(kāi)關(guān)頻率下工作的能力，意味著可以創(chuàng)建小巧，緊湊的設(shè)計(jì)，而通常無(wú)需借助散熱片。最終的THD + N測(cè)量結(jié)果也表明了這項(xiàng)新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的出色音頻性能。

作者：D類(lèi)音頻首席首席工程師Jun Honda和Infineon Technologies系統(tǒng)應(yīng)用工程師Pawan Garg

編輯：hfy