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为什么GaN用于D类放大器独有优势

发布时间:2020-05-29 责任编辑:lina

【导读】传统的音频放大技术是一个充满挑战的领域,发烧友们对于构成家庭音频最佳设置的要素有明显不同意见。对于那些坚持使用经典放大器拓扑架构的用户,他们的要求主要集中体现在准确的音频再现方面,而几乎不考虑解决方案的整体用电效率。
  
传统的音频放大技术是一个充满挑战的领域,发烧友们对于构成家庭音频最佳设置的要素有明显不同意见。对于那些坚持使用经典放大器拓扑架构的用户,他们的要求主要集中体现在准确的音频再现方面,而几乎不考虑解决方案的整体用电效率。虽然这在家庭音频环境中完全合理,但在许多其它应用中都要求较高的放大器效率。这或许是为了节省能源,并延长电池寿命,或是为了减少散热,从而使产品更致密、更紧凑。
 
音频放大器有几种基本类型,包括A类、AB类和B类,它们都利用其晶体管的线性区域,并以最小失真完美地再现输入音频信号。研究表明,这种设计理论上可以实现高达80%的效率,但实际上,它们的效率约为65%或更低。在当今由电池供电的智能手机、数字增强型无绳电信(DECT)手机和蓝牙扬声器等电子产品中,效率低下会对电池寿命产生巨大影响。像在电子行业的大多数其他领域(如电源转换器)一样,使用开关技术,而非线性技术的设计方法似乎能够有望实现突破。
 
D类放大器首先是在上世纪50年代出现,它使用一对开关器件进行推/挽配置(图1)。脉冲宽度调制(PWM)信号占空比由输入音频信号控制,可确保开关器件处于打开或关断状态,从而将其线性区域的操作保持在最低水平。这不仅能够实现100%的理论效率,而且还具有零失真的潜力。 
 
为什么GaN用于D类放大器独有优势
 
当时,市场上只有锗晶体管,但是它经过证明不适合这种开关拓扑架构的需求,因此早期的放大器设计并不成功。直到后来,随着MOSFET技术的出现,D类设计才得起死回生。如今,此类放大器因其高能效而在各个领域得到广泛应用。在当今的平板电视和汽车音响控制单元等设计中,紧凑性是一项非常迫切的要求,D类放大器在其中也很受欢迎,因为它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)是一种新技术,可用作D类设计中的开关器件,并可提供更高的效率和音频质量。
 
满足D类放大器的需求
 
为了能够接近D类放大器理论上的高性能,开关器件需要具备低导通电阻,以最大程度地降低I2R损耗。GaN器件具有比Si MOSFET低得多的导通电阻,并且可以通过较小的芯片面积实现。反过来,这种小芯片封装也可以帮助设计师将更多紧凑型放大器推向市场。
 
开关损耗是另一个需要充分考虑的因素。在中、高功率输出时,D类放大器的性能非常出众。但是,由于功率器件中的损耗,功率输出最低时的效率也最低。
 
为了克服这一挑战,一些D类放大器采用两种工作模式。在播放低音量音频时,这种多级技术限制了功率器件可以切换到的输出电压。一旦输出音量达到设定的阈值,开关的输出电压轨就会增大,从而可提供完整的电压摆幅。为了进一步降低开关损耗的影响,在低输出量时可以使用零电压开关(ZVS)技术,而在高功率水平时改为硬开关。
 
当使用Si MOSFET实施时,由于功率器件关断和导通时输出的非零电压,硬开关模式会导致体二极管中产生电荷累积。之后,积累的反向恢复电荷(Qrr)需要放电,这其中需要的时间在PWM控制实施过程中应该考虑。而如果采用GaN进行设计,则没有这个问题,因为这些晶体管没有固有的体二极管,因此也就没有Qrr,这样可以实现更高的总体效率、改进的失真系数以及更清晰的开关波形。
 
放大器在零电压开关模式下工作时,由于输出的转变是通过电感电流换向来实现,可有效消除开关中的开关损耗和由此产生的功率损失。然而,与所有半桥设计一样,需要考虑直通(shoot-through)问题,即高侧和低侧开关同时导通的现象。通常可以插入一个称为消隐时间(blanking time)的短延迟,以确保其中一个开关在导通之前另一个开关完全关断。需要注意的是,该延迟会影响 PWM 信号,导致音频输出失真,因此设计中的一个目标是尽可能缩短延迟,以维持音频保真度。该延迟的长度取决于功率器件的输出电容Coss。虽然GaN晶体管尚未完全消除Coss,但明显低于Si MOSFET器件。因此,使用 GaN 时,其较短的消隐时间会导致更小的放大器失真。
 
尽管上面提到的改进,这种电容中储存的能量仍有待处理,在下一个导通周期中被消耗掉。但是这些损耗的影响在较高开关频率下尤其明显,因此基于 GaN 的设计比 Si放大器具有更高的效率。
 
如何实现GaN 的优势
 
GaN HEMT 晶体管与 Si MOSFET 命名其各个端子的方式完全相同,具有栅极、漏极和源极。借助于栅极和源极之间的二维电子气体(2DEG),它们实现了极低电阻,由于提供有电子池,因此可有效地实现短路。当不加栅极偏压(VGS = 0V)时,p-GaN栅极将停止导通。GaN HEMT 是双向器件,这一点与硅器件不同。因此,如果允许漏极电压降至源极电压以下,则可能会产生反向电流。GaN HEMT 晶体管具有洁净的开关波形,这也是其优势所在,主要是没有Si MOSFET中常见的体二极管(图2)。这是与 PN 结相关的大量开关噪声的原因。

为什么GaN用于D类放大器独有优势

业界已经证实,在无散热片情况下,D类放大器设计可向8Ω负载提供160W功率。一种此类原型采用了IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT与200V D类驱动器IRS20957S(图3),这种特殊的开关其RDS(on)(max)仅为70mΩ。如果使用散热器,则放大器可以输出高达250W的功率,并且在100W时达到非常卓越的0.008%THD+N。从零电压开关到硬开关可能会导致THD+N测量值出现驼峰。工作在500 kHz频率时,该设计没有表现出明显的失真变化(发生在几瓦情况下),并且硬开关区域保持非常安静和清洁。
 
为什么GaN用于D类放大器独有优势
 
总结
多年来,设计人员一直在使用Si MOSFET 进行 D 类放大器设计,这要归功于其在性能优化方面不断取得的进步。然而,要进一步改进Si MOSFET功能和特性已经非常困难。此外,降低RDS(on)将需要更大的晶片尺寸,导致更难以构建紧凑的音频放大器设计。然而,GaN HEMT突破了这一限制,同时也消除了Qrr,再加上较低的Coss以及在较高开关频率下运行的能力,可以创建体积更小、更加紧凑的设计,通常情况下无需使用散热器。所进行的 THD+N 测量还表明,这项新技术可以实现出色的音频性能。
(来源:EEWORLD,作者: 英飞凌科技D类音频首席工程师Jun Honda,系统应用工程师Pawan Garg)
 
  
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