基于GaN的D类放大器设计
发布日期:2024-01-22
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高保真声音再现发烧友是氮化镓（GaN）基本质量的最新受益者，因为它使这些发烧友在充满挑战的环境中得到了喘息。GaN解决了他们关于最佳家庭音频设置构成的难题。
音频放大器的基本类别是A类，AB类和B类，它们利用其晶体管的线性区域，同时尝试以最小的失真来重建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，但实际上，它们的效率约为65％或更低。在当今电池供电的智能手机，数字增强无线技术（DECT）手机和蓝牙扬声器领域，这种线性方法已成为历史，因为它对电池寿命产生了巨大影响。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提供了更好的承诺。
对于坚持使用经典放大器拓扑类别的用户，他们的要求将集中在准确的音频再现上，而几乎不考虑解决方案的整体电效率。虽然这在家庭音频环境中是完全合理的，但许多应用都要求高放大器效率。这可能是为了节省能源并延长电池寿命，或者是为了减少散热，从而使最终产品更致密，更紧凑。
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）信号的占空比由输入的音频信号控制，可确保开关设备处于打开或关闭状态，从而将其线性区域的操作保持在最低水平。这提供了100％的理论效率以及零失真的可能性。
图1：D类放大器设计的基本框图
然后，事实证明，仅有的可用锗晶体管不适合这种开关拓扑的需求，结果，早期的放大器设计被证明是不成功的。但是，MOSFET技术的出现使D类设计获得了吉祥。如今，D类放大器因其电气效率而在各种应用中找到了家。在紧凑性是设计要求的情况下，例如在当今的平板电视和汽车音响主机中，它也很受欢迎，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）提供了一种用作D类设计中的开关的新技术，并具有更高的效率和音频质量的提高。
符合D类放大器的需求
从理论上讲，D类开关器件的高性能需要提供低导通电阻，以最大程度地降低I2R损耗。GaN提供的导通电阻比Si MOSFET低得多，并且可以在较小的裸片面积中实现。反过来，这也体现在小包装中，设计人员可以使用小包装将更紧凑的放大器推向市场。
开关损耗是另一个需要充分考虑的因素。在中高功率输出电平下，D类放大器的性能异常出色。但是，由于功率器件中的损耗，效率最低的是最低功率输出。
为了克服这一挑战，某些D类放大器方法使用两种工作模式。这种多级技术限制了当播放低音量音频时功率设备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，从而提供完整的电压摆幅。为了进一步减少开关损耗的影响，可以在低输出量时使用零电压开关（ZVS）技术，而在高功率水平时改为硬开关。
当使用Si MOSFET实施时，由于在功率器件关闭和打开时输出处的非零电压，硬开关模式会导致体二极管中产生电荷积聚。随后需要建立的反向恢复电荷（Qrr）需要放电，并且需要将其时间纳入PWM控制实现中。在利用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Qrr。这样的结果是总体上更高的效率，失真度的改善以及更清晰的开关波形。
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可以有效消除，因为输出的过渡是通过电感器电流换向实现的。但是，与所有半桥设计一样，需要考虑直通问题，即同时接通高侧和低侧开关的时刻。通常插入一个短的延迟，称为消隐时间，以确保其中一个开关设备在另一个开关设备打开之前完全关闭。应当注意的是，这种延迟会影响PWM信号，从而导致音频输出失真，因此，目标是使其尽可能短，以保持音频保真度。此延迟的时间长度取决于功率器件的输出电容Coss。尽管GaN晶体管尚未完全消除Coss，但它远低于Si MOSFET器件的Coss。结果，较短的消隐时间使放大器在使用GaN时失真较小。
尽管有所改进，但仍需要处理存储在该电容中的能量，并在下一个导通周期中将其消散。但是，由于这些损耗的影响在较高的开关频率下尤其明显，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的好处
GaN HEMT晶体管的端子名称与Si MOSFET相同，具有栅极，漏极和源极。它们的极低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。当未施加栅极偏置时（VGS= 0 V），p-GaN栅极停止导通。不同于其对应的硅，GaN HEMT是双向器件。结果，如果允许漏极电压降至源极电压以下，则反向电流会流动。需要注意的是，它们的干净开关是由于缺少Si MOSFET共有的体二极管（图2）。这是与PN结相关的许多开关噪声的原因。
图2：GaN HEMT晶体管的结构
图2a：优于Si MOSFET的D类放大器的出色开关特性
已经实现了D类放大器设计，无需散热片即可将160 W功率转换为8Ω。一种这样的原型将IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT与200 V D类驱动器IRS20957S一起使用（图3）。这种特殊的开关的RDS（on）（max）仅为70mΩ。如果与散热器一起使用，该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％的THD + N。从ZVS切换到硬开关会导致THD + N测量值出现驼峰。在500 kHz的频率下工作，该设计没有显示出明显的失真变化（发生在几瓦特的情况下），并且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
图3a：THD + N测量
概括
多年来，由于在优化性能方面不断取得进步，Si MOSFET为D类放大器设计人员提供了出色的服务。但是，要实现它们的特性方面的进一步进步具有挑战性。此外，RDS（on）的进一步减小将导致更大的裸片尺寸，从而使构建紧凑的音频放大器设计更加困难。然而，GaN HEMT突破了这一限制，同时还消除了Qrr。这样，再加上降低的Coss和在较高的开关频率下工作的能力，意味着可以创建小巧，紧凑的设计，而通常无需借助散热片。最终的THD + N测量结果也表明了这项新技术可以实现的出色音频性能。
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