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基于GaN的D類放大器設(shè)計(jì)

發(fā)布日期:2024-01-22 點(diǎn)擊次數(shù):359
    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?yàn)樗惯@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(shí)嘗試以最小的失真來重建完美的輸入音頻信號(hào)。已經(jīng)表明,這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)80%的理論效率,但實(shí)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(jī),數(shù)字增強(qiáng)無線技術(shù)(DECT)手機(jī)和藍(lán)牙揚(yáng)聲器領(lǐng)域,這種線性方法已成為歷史,因?yàn)樗鼘﹄姵貕勖a(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(jiān)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(hào)的占空比由輸入的音頻信號(hào)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(jì)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關(guān)拓?fù)涞男枨?,結(jié)果,早期的放大器設(shè)計(jì)被證明是不成功的。但是,MOSFET技術(shù)的出現(xiàn)使D類設(shè)計(jì)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(jì)要求的情況下,例如在當(dāng)今的平板電視和汽車音響主機(jī)中,它也很受歡迎,因?yàn)橥ǔ2恍枰恐氐纳崞鳌?/div>
    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(jì)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(shí)現(xiàn)。反過來,這也體現(xiàn)在小包裝中,設(shè)計(jì)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(gè)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(jí)技術(shù)限制了當(dāng)播放低音量音頻時(shí)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(huì)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(shí)使用零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù),而在高功率水平時(shí)改為硬開關(guān)。
    當(dāng)使用Si MOSFET實(shí)施時(shí),由于在功率器件關(guān)閉和打開時(shí)輸出處的非零電壓,硬開關(guān)模式會(huì)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(shí)間納入PWM控制實(shí)現(xiàn)中。在利用GaN的設(shè)計(jì)中,這不是問題,因?yàn)檫@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(shí),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?yàn)檩敵龅倪^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(jì)一樣,需要考慮直通問題,即同時(shí)接通高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的時(shí)刻。通常插入一個(gè)短的延遲,稱為消隱時(shí)間,以確保其中一個(gè)開關(guān)設(shè)備在另一個(gè)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(huì)影響PWM信號(hào),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(shí)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(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(chǔ)在該電容中的能量,并在下一個(gè)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(jì)顯示出比基于Si的放大器更高的效率。
了解如何實(shí)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(shí)現(xiàn)的,由于提供的電子池,有效地實(shí)現(xiàn)了短路。當(dāng)未施加?xùn)艠O偏置時(shí)(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(huì)流動(dòng)。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(shí)現(xiàn)了D類放大器設(shè)計(jì),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(dòng)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(shí)達(dá)到非??捎^的0.008%的THD + N。從ZVS切換到硬開關(guān)會(huì)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(jì)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(jì)
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(jì)人員提供了出色的服務(wù)。但是,要實(shí)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(jì)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(jì),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(xiàng)新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的出色音頻性能。






















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