D類音響如何使用GaN提高音質？

作者 : Stefano Lovati

D類音訊放大器是氮化鎵(GaN)增強型HEMT元件最有前途但同時探索較少的應用領域之一。本文將深入探討在D類音響中，GaN功率元件在性能、效率和音質方面，如何優於目前可用的矽基MOSFET。

就要求和應用而言，現代功率電子正在迅速超越矽元件的最大性能能力。隨著寬能隙(WBG)材料製造的進步和更多商用WBG元件(如GaN)的面世，設計人員正在擴大應用範圍，以利用其優於傳統矽基元件的性能優勢。

GaN特性

作為一種寬能隙材料，GaN具有較大的能隙，也稱為能隙。與矽相比，GaN的電子需要更多的能量才能從價帶躍遷到更高能級的導帶。由於能隙的寬度與迫使半導體擊穿所需的電場強度成正比，因此GaN元件也可以在更高的電壓下工作。GaN由於其寬能隙、大臨界電場、高電子遷移率和優異的導熱性，在許多功率電子應用中受到了極大的關注。

GaN HEMT製造工藝實現了更高的遷移率。在AlGaN/GaN異質外延結構上形成的橫向二維電子氣(2DEG)通道提供了高電荷密度和遷移率。由於AlGaN和GaN導帶之間的結點不連續，2DEG進一步集中並增加了遷移率。

在GaN增強型HEMT中，p-GaN區域下方的AlGaN層厚度經過了優化，以建立常關的操作。與普通Si MOSFET相比，E-HEMT GaN元件具有更低的閘極電荷(Q_G)和更低的導通電阻(R_DS(ON))。這導致了更低的開關電荷要求和更快的開關轉換。

與Si和SiC MOSFET不同，GaN E-HEMT沒有體二極體(Body diode)，也沒有反向恢復損耗。在死區時間(Dead-Time)內，當閘極關閉時，2DEG層表現得像一個二極體；這意味著GaN 2DEG可以在第三象限導電(沿相反方向傳導電流)，並且不需要反向並聯二極體。

GaN通過抑制反向恢復損耗實現在更高開關頻率下的高效運行。GaN E-HEMT的另一個顯著特性(我們稍後將詳細介紹)是其更快的開啟和關閉開關轉換，從而降低開關損耗。

GaN的關鍵性能優勢是它能夠承受更高的工作溫度、更高的阻斷電壓和更快的開關速度，並且其損耗可與最新的Si功率電子元件相媲美。應該強調的是，GaN的生產和加工最近取得了顯著進步，並且只要存在對Si的高性能替代品的需求，未來也會如此。

D類功率放大

最直接的類比音訊放大器由在線性模式下工作的電晶體組成，提供的輸出電壓是輸入電壓的比例複製。還可以包括具有高增益的反饋回路，通過抑制前向通道中的非線性引起的失真，以及通過提高電源抑制來降低電源雜訊來增強性能。

音訊放大器可分為四個主要類別：A、B、AB(所有線性放大器)和D(PWM放大器)。A類音訊放大器在失真方面提供最出色的性能，但由於效率低，會產生大量熱量。B類和混合型AB類放大器在效率方面都改善了A類，但代價是聲音保真度和失真度較低。D類拓撲結構，也稱為脈衝寬度調製(PWM)放大器，理論效率為100%，可達到90%以上。

與其他放大器類別相比，D類放大器的基本優勢是顯著降低功耗，這直接轉化為更少的熱量、更緊湊的電路設計，以及更長的可攜式設備電池壽命。輸入信號被轉換為PWM信號，D類放大器使用該信號來驅動推挽輸出級。

D類功率放大器沒有像AB類放大器那樣採用傳統的線性雙極電晶體，而是在其輸出級使用高速FET開關。儘管D類音訊放大器的最初概念可以追溯到50年代，但由於缺乏理想的半導體開關，其性能受到了影響。GaN技術的出現，讓基於PWM的D類放大器更接近理想放大器。

對於更大的額定功率，D類放大器需要更低的R_DS(ON)和更快、更乾淨的開關轉換，這通常是Si MOSFET的反面權衡。這就是為什麼GaN對於D類放大器非常有利。

如THD(總諧波失真)、DF(阻尼係數)和IMD(互調失真)所示，所用功率電晶體的特性會影響音訊放大器再現聲音的效果。GaN元件近乎理想的開關性能允許非常短的死區時間，以產生較低的開迴路失真，從而降低THD和總損耗。這是通過它們較低的傳播延遲、更快的轉換速率(由於它們較低的閘極電容)和零Q_RR實現的。這提高了D類音訊放大器的音質並降低了總損耗。

圖1顯示了以下波形之間的比較：

理想的開關波形(綠色)：一個完美的方波信號

MOSFET開關波形(紅色)：Si MOSFET產生的開關波形

eGaN開關波形(藍色)：EPC eGaN開關元件產生的開關波形。

我們很快就會注意到，基於GaN的元件產生的波形是最接近理想開關信號的。

圖1：eGaN開關波形非常接近理想波形。 (來源：EPC)

GaN在D類放大器中的應用

GaN功率電晶體最近因其高功率密度和開關頻率能力，在D類音訊放大器中得到普及。在D類放大器中使用基於GaN的元件的一些優勢包括：

• 高效率——GaN具有極低的導通電阻，產生的熱量更少，效率更高。這轉化為更低的功耗、更長的可擕式設備電池壽命，以及更少的電源需求
• 快速開關——GaN可以在非常高的頻率下開關，使其成為D類放大器的絕佳選擇，此類放大器需要快速開關輸出電晶體以生成PWM信號
• 高功率密度——與傳統的矽MOSFET或雙極性電晶體相比，GaN可以在更高的電壓和溫度下工作，使其成為緊湊型高功率應用的理想選擇，包括可擕式揚聲器、低音炮、汽車資訊娛樂系統和音響系統
• 更好的音質——GaN的高頻操作可產生更清晰、更準確的信號。通過適當的設計，GaN可以提供對高端音訊應用至關重要的高保真聲音、更低的THD+N和高SNR。

通過比較Si和GaN的功率開關的開關波形，我們可以很快意識到GaN在D類音訊放大器中發揮了怎樣的作用。圖2比較了矽MOSFET和英飛淩CoolGaN增強型HEMT的開關波形。可以看出，CoolGaN波形更乾淨、更快。

圖2：Si MOSFET和CoolGaN e-mode HEMT波形。 (來源：英飛凌)

本文刊登於EDN China網站

(參考原文：Enhancing the Quality of Sound with Gallium Nitride (GaN)，By Stefano Lovati)

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