使用GaN来提高音质

就要求和应用而言，现代功率电子正在迅速超越硅器件的最大性能能力。随着宽禁带(WBG)材料制造的进步和更多商用WBG器件(如GaN)的面世，设计人员正在扩大应用范围，以利用其优于传统硅基器件的性能优势。tiSednc

D类音频放大器是GaN增强型HEMT器件最有前途但同时探索较少的应用领域之一。本文将深入探讨在D类音响中，GaN功率器件在性能、效率和音质方面，如何优于目前可用的硅基MOSFET。 tiSednc

氮化镓特性

作为一种宽禁带材料，氮化镓具有较大的能隙，也称为“禁带”。与硅相比，GaN的电子需要更多的能量才能从价带跃迁到更高能级的导带。由于禁带的宽度与迫使半导体击穿所需的电场强度成正比，因此GaN器件也可以在更高的电压下工作。GaN由于其宽禁带、大临界电场、高电子迁移率和优异的导热性，在许多功率电子应用中受到了极大的关注。tiSednc

GaN HEMT制造工艺实现了更高的迁移率。在AlGaN/GaN异质外延结构上形成的横向二维电子气(2DEG)通道提供了高电荷密度和迁移率。由于AlGaN和GaN导带之间的结点不连续，2DEG进一步集中并增加了迁移率。在GaN增强型HEMT中，p-GaN区域下方的AlGaN层厚度经过了优化，以建立常关的操作。与普通Si MOSFET相比，E-HEMT GaN器件具有更低的栅极电荷(Q_G)和更低的导通电阻(R_DS(ON))。这导致了更低的开关电荷要求和更快的开关转换。tiSednc

与硅和SiC MOSFET不同，GaN E-HEMT没有体二极管，也没有反向恢复损耗。在死区时间内，当栅极关闭时，2DEG层表现得像一个二极管；这意味着GaN 2DEG可以在第三象限导电(沿相反方向传导电流)，并且不需要反向并联二极管。GaN通过抑制反向恢复损耗实现在更高开关频率下的高效运行。GaN E-HEMT的另一个显著特性(我们稍后将详细介绍)是其更快的开启和关闭开关转换，从而降低开关损耗。tiSednc

GaN的关键性能优势是它能够承受更高的工作温度、更高的阻断电压和更快的开关速度，并且其损耗可与最新的Si功率电子器件相媲美。应该强调的是，GaN的生产和加工最近取得了显著进步，并且只要存在对Si的高性能替代品的需求，未来也会如此。tiSednc

D类功放

最直接的模拟音频放大器由在线性模式下工作的晶体管组成，提供的输出电压是输入电压的比例复制。还可以包括具有高增益的反馈回路，通过抑制前向信道中的非线性引起的失真，以及通过提高电源抑制来降低电源噪声来增强性能。tiSednc

音频放大器可分为四个主要类别：A、B、AB(所有线性放大器)和D(PWM放大器)。A类音频放大器在失真方面提供最出色的性能，但由于效率低，会产生大量热量。B类和混合型AB类放大器在效率方面都改善了A类，但代价是声音保真度和失真度较低。D类拓扑结构，也称为“PWM”放大器，理论效率为100%，可达到90%以上。tiSednc

与其他放大器类别相比，D类放大器的基本优势是显著降低功耗，这直接转化为更少的热量、更紧凑的电路设计，以及更长的便携式设备电池寿命。输入信号被转换为脉冲宽度调制(PWM)信号，D类放大器使用该信号来驱动推挽输出级。tiSednc

D类功率放大器没有像AB类放大器那样采用传统的线性双极晶体管，而是在其输出级使用高速FET开关。尽管D类音频放大器的最初概念可以追溯到50年代，但由于缺乏“理想”的半导体开关，其性能受到了影响。GaN技术的出现，让基于PWM的D类放大器更接近“理想”放大器。对于更大的额定功率，D类放大器需要更低的R_DS(ON)和更快、更干净的开关转换，这通常是Si MOSFET的反面权衡。这就是为什么GaN对于D类放大器非常有利。tiSednc

如THD(总谐波失真)、DF(阻尼系数)和IMD(互调失真)所示，所用功率晶体管的特性会影响音频放大器再现声音的效果。GaN器件近乎理想的开关性能允许非常短的死区时间，以产生较低的开环失真，从而降低THD和总损耗。这是通过它们较低的传播延迟、更快的转换速率(由于它们较低的栅极电容)和零Q_RR实现的。这提高了D类音频放大器的音质并降低了总损耗。tiSednc

图1显示了以下波形之间的比较：tiSednc

• 理想的开关波形(绿色)：一个完美的方波信号
• MOSFET开关波形(红色)：硅基MOSFET产生的开关波形
• eGaN开关波形(蓝色)：EPC eGaN开关器件产生的开关波形。

我们很快就会注意到，基于GaN的器件产生的波形是最接近理想开关信号的。tiSednc

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图1：eGaN的开关波形非常接近理想波形(来源：EPC)tiSednc

GaN在D类放大器中的应用

氮化镓功率晶体管最近因其高功率密度和开关频率能力，在D类音频放大器中得到普及。在D类放大器中使用基于GaN的器件的一些优势包括：tiSednc

• 高效率——GaN具有极低的导通电阻，产生的热量更少，效率更高。这转化为更低的功耗、更长的便携式设备电池寿命，以及更少的电源需求
• 快速开关——GaN可以在非常高的频率下开关，使其成为D类放大器的绝佳选择，此类放大器需要快速开关输出晶体管以生成PWM信号
• 高功率密度——与传统的硅MOSFET或双极性晶体管相比，GaN可以在更高的电压和温度下工作，使其成为紧凑型高功率应用的理想选择，包括便携式扬声器、低音炮、汽车信息娱乐系统和音响系统
• 更好的音质——GaN的高频操作可产生更清晰、更准确的信号。通过适当的设计，GaN可以提供对高端音频应用至关重要的高保真声音、更低的THD+N和高SNR。

通过比较硅基和GaN基的功率开关的开关波形，我们可以很快意识到GaN在D类音频放大器中发挥了怎样的作用。tiSednc

图2比较了硅MOSFET和英飞凌CoolGaN增强型HEMT的开关波形。可以看出，CoolGaN波形更干净、更快。tiSednc

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图2：硅基MOSFET和CoolGaN e-mode HEMT波形(来源：Infineon)tiSednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Enhancing the Quality of Sound with Gallium Nitride (GaN)，由Ricardo Xie编译。)tiSednc