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基于GaN的D類放大器設(shè)計
發(fā)布時間：2024-01-22 13:52:03 瀏覽：533次
高保真聲音再現(xiàn)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)燒友在充滿挑戰(zhàn)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(shè)置構(gòu)成的難題。
音頻放大器的基本類別是A類，AB類和B類，它們利用其晶體管的線性區(qū)域，同時嘗試以最小的失真來重建完美的輸入音頻信號。已經(jīng)表明，這種設(shè)計可以實現(xiàn)高達(dá)80％的理論效率，但實際上，它們的效率約為65％或更低。在當(dāng)今電池供電的智能手機，數(shù)字增強無線技術(shù)（DECT）手機和藍(lán)牙揚聲器領(lǐng)域，這種線性方法已成為歷史，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(shù)其他領(lǐng)域一樣，發(fā)燒友發(fā)現(xiàn)使用切換方法比線性提供了更好的承諾。
對于堅持使用經(jīng)典放大器拓?fù)漕悇e的用戶，他們的要求將集中在準(zhǔn)確的音頻再現(xiàn)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(yīng)用都要求高放大器效率。這可能是為了節(jié)省能源并延長電池壽命，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類放大器一直使用一對推/拉配置的開關(guān)器件（圖1）。脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號的占空比由輸入的音頻信號控制，可確保開關(guān)設(shè)備處于打開或關(guān)閉狀態(tài)，從而將其線性區(qū)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類放大器設(shè)計的基本框圖
然后，事實證明，僅有的可用鍺晶體管不適合這種開關(guān)拓?fù)涞男枨?，結(jié)果，早期的放大器設(shè)計被證明是不成功的。但是，MOSFET技術(shù)的出現(xiàn)使D類設(shè)計獲得了吉祥。如今，D類放大器因其電氣效率而在各種應(yīng)用中找到了家。在緊湊性是設(shè)計要求的情況下，例如在當(dāng)今的平板電視和汽車音響主機中，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類設(shè)計中的開關(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類放大器的需求
從理論上講，D類開關(guān)器件的高性能需要提供低導(dǎo)通電阻，以最大程度地降低I2R損耗。GaN提供的導(dǎo)通電阻比Si MOSFET低得多，并且可以在較小的裸片面積中實現(xiàn)。反過來，這也體現(xiàn)在小包裝中，設(shè)計人員可以使用小包裝將更緊湊的放大器推向市場。
開關(guān)損耗是另一個需要充分考慮的因素。在中高功率輸出電平下，D類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(zhàn)，某些D類放大器方法使用兩種工作模式。這種多級技術(shù)限制了當(dāng)播放低音量音頻時功率設(shè)備可以切換到的輸出電壓。一旦輸出量達(dá)到預(yù)定義的閾值，開關(guān)的輸出電壓軌就會增加，從而提供完整的電壓擺幅。為了進(jìn)一步減少開關(guān)損耗的影響，可以在低輸出量時使用零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)，而在高功率水平時改為硬開關(guān)。
當(dāng)使用Si MOSFET實施時，由于在功率器件關(guān)閉和打開時輸出處的非零電壓，硬開關(guān)模式會導(dǎo)致體二極管中產(chǎn)生電荷積聚。隨后需要建立的反向恢復(fù)電荷（Qrr）需要放電，并且需要將其時間納入PWM控制實現(xiàn)中。在利用GaN的設(shè)計中，這不是問題，因為這些晶體管沒有固有的體二極管，因此沒有Qrr。這樣的結(jié)果是總體上更高的效率，失真度的改善以及更清晰的開關(guān)波形。
當(dāng)放大器在ZVS模式下工作時，開關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的開關(guān)功率損耗可以有效消除，因為輸出的過渡是通過電感器電流換向?qū)崿F(xiàn)的。但是，與所有半橋設(shè)計一樣，需要考慮直通問題，即同時接通高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的時刻。通常插入一個短的延遲，稱為消隱時間，以確保其中一個開關(guān)設(shè)備在另一個開關(guān)設(shè)備打開之前完全關(guān)閉。應(yīng)當(dāng)注意的是，這種延遲會影響PWM信號，從而導(dǎo)致音頻輸出失真，因此，目標(biāo)是使其盡可能短，以保持音頻保真度。此延遲的時間長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(yuǎn)低于Si MOSFET器件的Coss。結(jié)果，較短的消隱時間使放大器在使用GaN時失真較小。
盡管有所改進(jìn)，但仍需要處理存儲在該電容中的能量，并在下一個導(dǎo)通周期中將其消散。但是，由于這些損耗的影響在較高的開關(guān)頻率下尤其明顯，因此基于GaN的設(shè)計顯示出比基于Si的放大器更高的效率。
了解如何實現(xiàn)GaN的好處
GaN HEMT晶體管的端子名稱與Si MOSFET相同，具有柵極，漏極和源極。它們的極低電阻是通過柵極和源極之間的二維電子氣（2DEG）實現(xiàn)的，由于提供的電子池，有效地實現(xiàn)了短路。當(dāng)未施加?xùn)艠O偏置時（VGS= 0 V），p-GaN柵極停止導(dǎo)通。不同于其對應(yīng)的硅，GaN HEMT是雙向器件。結(jié)果，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則反向電流會流動。需要注意的是，它們的干凈開關(guān)是由于缺少Si MOSFET共有的體二極管（圖2）。這是與PN結(jié)相關(guān)的許多開關(guān)噪聲的原因。
圖2：GaN HEMT晶體管的結(jié)構(gòu)
圖2a：優(yōu)于Si MOSFET的D類放大器的出色開關(guān)特性
已經(jīng)實現(xiàn)了D類放大器設(shè)計，無需散熱片即可將160 W功率轉(zhuǎn)換為8Ω。一種這樣的原型將IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT與200 V D類驅(qū)動器IRS20957S一起使用（圖3）。這種特殊的開關(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(dá)250 W的功率，并且在100 W時達(dá)到非?？捎^的0.008％的THD + N。從ZVS切換到硬開關(guān)會導(dǎo)致THD + N測量值出現(xiàn)駝峰。在500 kHz的頻率下工作，該設(shè)計沒有顯示出明顯的失真變化（發(fā)生在幾瓦特的情況下），并且硬開關(guān)區(qū)域保持安靜且非常干凈。
圖3：250 W D類放大器設(shè)計
圖3a：THD + N測量
概括
多年來，由于在優(yōu)化性能方面不斷取得進(jìn)步，Si MOSFET為D類放大器設(shè)計人員提供了出色的服務(wù)。但是，要實現(xiàn)它們的特性方面的進(jìn)一步進(jìn)步具有挑戰(zhàn)性。此外，RDS（on）的進(jìn)一步減小將導(dǎo)致更大的裸片尺寸，從而使構(gòu)建緊湊的音頻放大器設(shè)計更加困難。然而，GaN HEMT突破了這一限制，同時還消除了Qrr。這樣，再加上降低的Coss和在較高的開關(guān)頻率下工作的能力，意味著可以創(chuàng)建小巧，緊湊的設(shè)計，而通常無需借助散熱片。最終的THD + N測量結(jié)果也表明了這項新技術(shù)可以實現(xiàn)的出色音頻性能。
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