为什么GaN用于D类放大器独有优势?
来源：rf技术社区
本文来自与非网
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。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。
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。这是与 pn 结相关的大量开关噪声的原因。
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，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。
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。
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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。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。
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。
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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。这是与 pn 结相关的大量开关噪声的原因。
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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。
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