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

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。已經(jīng)表明，這種設計可以實(shí)現高達80％的理論效率，但實(shí)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(wú)線(xiàn)技術(shù)（DECT）手機和藍牙揚聲器領(lǐng)域，這種線(xiàn)性方法已成為歷史，因為它對電池壽命產(chǎn)生了巨大影響。與電子行業(yè)的大多數其他領(lǐng)域一樣，發(fā)燒友發(fā)現使用切換方法比線(xiàn)性提供了更好的承諾。

對于堅持使用經(jīng)典放大器拓撲類(lèi)別的用戶(hù)，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(huán)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(cháng)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推/拉配置的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)設備處于打開(kāi)或關(guān)閉狀態(tài)，從而將其線(xiàn)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(lèi)放大器設計的基本框圖

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(shù)的出現使D類(lèi)設計獲得了吉祥。如今，D類(lèi)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(chē)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(lèi)設計中的開(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(shí)現。反過(guò)來(lái)，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(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，某些D類(lèi)放大器方法使用兩種工作模式。這種多級技術(shù)限制了當播放低音量音頻時(shí)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(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 )導致體二極管中產(chǎn)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(shí)間納入PWM控制實(shí)現中。在利用GaN的設計中，這不是問(wèn)題，因為這些晶體管沒(méi)有固有的體二極管，因此沒(méi)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(kāi)關(guān)波形。

當放大器在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，因為輸出的過(guò)渡是通過(guò)電感器電流換向實(shí)現的。但是，與所有半橋設計一樣，需要考慮直通問(wèn)題，即同時(shí)接通高側和低側開(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)設備在另一個(gè)開(kāi)關(guān)設備打開(kāi)之前完全關(guān)閉。應當注意的是，這種延遲會(huì )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(shí)間長(cháng)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(shí)間使放大器在使用GaN時(shí)失真較小。

盡管有所改進(jìn)，但仍需要處理存儲在該電容中的能量，并在下一個(gè)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(kāi)關(guān)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(shí)現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)現的，由于提供的電子池，有效地實(shí)現了短路。當未施加柵極偏置時(shí)（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(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結相關(guān)的許多開(kāi)關(guān)噪聲的原因。

圖2：GaN HEMT晶體管的結構


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)現了D類(lèi)放大器設計，無(wú)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(lèi)驅動(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250 W的功率，并且在100 W時(shí)達到非�？捎^(guān)的0.008％的THD + N。從ZVS切換到硬開(kāi)關(guān)會(huì )導致THD + N測量值出現駝峰。在500 kHz的頻率下工作，該設計沒(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)區域保持安靜且非常干凈。

圖3：250 W D類(lèi)放大器設計


圖3a：THD + N測量

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)放大器設計人員提供了出色的服務(wù)。但是，要實(shí)現它們的特性方面的進(jìn)一步進(jìn)步具有挑戰性。此外，RDS（on）的進(jìn)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(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(zhù)可以創(chuàng )建小巧，緊湊的設計，而通常無(wú)需借助散熱片。最終的THD + N測量結果也表明了這項新技術(shù)可以實(shí)現的出色音頻性能。