基于GaN的D類放大器設計

高保真聲音再現發燒友是氮化鎵（GaN）基本質量的最新受益者，因為它使這些發燒友在充滿挑戰的環境中得到了喘息。GaN解決了他們關于最佳家庭音頻設置構成的難題。

音頻放大器的基本類別是A類，AB類和B類，它們利用其晶體管的線性區域，同時嘗試以最小的失真來重建完美的輸入音頻信號。已經表明，這種設計可以實現高達80％的理論效率，但實際上，它們的效率約為65％或更低。在當今電池供電的智能手機，數字增強無線技術（DECT）手機和藍牙揚聲器領域，這種線性方法已成為歷史，因為它對電池壽命產生了巨大影響。與電子行業的大多數其他領域一樣，發燒友發現使用切換方法比線性提供了更好的承諾。

對于堅持使用經典放大器拓撲類別的用戶，他們的要求將集中在準確的音頻再現上，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境中是完全合理的，但許多應用都要求高放大器效率。這可能是為了節省能源并延長電池壽命，或者是為了減少散熱，從而使最終產品更致密，更緊湊。

在1950年代提出的D類放大器一直使用一對推/拉配置的開關器件（圖1）。脈沖寬度調制（PWM）信號的占空比由輸入的音頻信號控制，可確保開關設備處于打開或關閉狀態，從而將其線性區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類放大器設計的基本框圖

然后，事實證明，僅有的可用鍺晶體管不適合這種開關拓撲的需求，結果，早期的放大器設計被證明是不成功的。但是，MOSFET技術的出現使D類設計獲得了吉祥。如今，D類放大器因其電氣效率而在各種應用中找到了家。在緊湊性是設計要求的情況下，例如在當今的平板電視和汽車音響主機中，它也很受歡迎，因為通常不需要笨重的散熱器。

基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）提供了一種用作D類設計中的開關的新技術，并具有更高的效率和音頻質量的提高。

符合D類放大器的需求

從理論上講，D類開關器件的高性能需要提供低導通電阻，以最大程度地降低I2R損耗。GaN提供的導通電阻比Si MOSFET低得多，并且可以在較小的裸片面積中實現。反過來，這也體現在小包裝中，設計人員可以使用小包裝將更緊湊的放大器推向市場。

開關損耗是另一個需要充分考慮的因素。在中高功率輸出電平下，D類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，某些D類放大器方法使用兩種工作模式。這種多級技術限制了當播放低音量音頻時功率設備可以切換到的輸出電壓。一旦輸出量達到預定義的閾值，開關的輸出電壓軌就會增加，從而提供完整的電壓擺幅。為了進一步減少開關損耗的影響，可以在低輸出量時使用零電壓開關（ZVS）技術，而在高功率水平時改為硬開關。

當使用Si MOSFET實施時，由于在功率器件關閉和打開時輸出處的非零電壓，硬開關模式會導致體二極管中產生電荷積聚。隨后需要建立的反向恢復電荷（Qrr）需要放電，并且需要將其時間納入PWM控制實現中。在利用GaN的設計中，這不是問題，因為這些晶體管沒有固有的體二極管，因此沒有Qrr。這樣的結果是總體上更高的效率，失真度的改善以及更清晰的開關波形。

當放大器在ZVS模式下工作時，開關損耗和由此產生的開關功率損耗可以有效消除，因為輸出的過渡是通過電感器電流換向實現的。但是，與所有半橋設計一樣，需要考慮直通問題，即同時接通高側和低側開關的時刻。通常插入一個短的延遲，稱為消隱時間，以確保其中一個開關設備在另一個開關設備打開之前完全關閉。應當注意的是，這種延遲會影響PWM信號，從而導致音頻輸出失真，因此，目標是使其盡可能短，以保持音頻保真度。此延遲的時間長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，但它遠低于Si MOSFET器件的Coss。結果，較短的消隱時間使放大器在使用GaN時失真較小。

盡管有所改進，但仍需要處理存儲在該電容中的能量，并在下一個導通周期中將其消散。但是，由于這些損耗的影響在較高的開關頻率下尤其明顯，因此基于GaN的設計顯示出比基于Si的放大器更高的效率。

了解如何實現GaN的好處

GaN HEMT晶體管的端子名稱與Si MOSFET相同，具有柵極，漏極和源極。它們的極低電阻是通過柵極和源極之間的二維電子氣（2DEG）實現的，由于提供的電子池，有效地實現了短路。當未施加柵極偏置時（VGS= 0 V），p-GaN柵極停止導通。不同于其對應的硅，GaN HEMT是雙向器件。結果，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則反向電流會流動。需要注意的是，它們的干凈開關是由于缺少Si MOSFET共有的體二極管（圖2）。這是與PN結相關的許多開關噪聲的原因。

圖2：GaN HEMT晶體管的結構

圖2a：優于Si MOSFET的D類放大器的出色開關特性

已經實現了D類放大器設計，無需散熱片即可將160 W功率轉換為8Ω。一種這樣的原型將IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT與200 V D類驅動器IRS20957S一起使用（圖3）。這種特殊的開關的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250 W的功率，并且在100 W時達到非?？捎^的0.008％的THD + N。從ZVS切換到硬開關會導致THD + N測量值出現駝峰。在500 kHz的頻率下工作，該設計沒有顯示出明顯的失真變化（發生在幾瓦特的情況下），并且硬開關區域保持安靜且非常干凈。

圖3：250 W D類放大器設計

圖3a：THD + N測量

概括

多年來，由于在優化性能方面不斷取得進步，Si MOSFET為D類放大器設計人員提供了出色的服務。但是，要實現它們的特性方面的進一步進步具有挑戰性。此外，RDS（on）的進一步減小將導致更大的裸片尺寸，從而使構建緊湊的音頻放大器設計更加困難。然而，GaN HEMT突破了這一限制，同時還消除了Qrr。這樣，再加上降低的Coss和在較高的開關頻率下工作的能力，意味著可以創建小巧，緊湊的設計，而通常無需借助散熱片。最終的THD + N測量結果也表明了這項新技術可以實現的出色音頻性能。

作者：D類音頻首席首席工程師Jun Honda和Infineon Technologies系統應用工程師Pawan Garg

編輯：hfy