氮化鎵晶體管如何改變D類放大器的性能

在本文中，我們將仔細(xì)研究氮化鎵 (GaN)晶體管，以及這種新的半導(dǎo)體技術(shù)如何有望徹底改變 D 類放大器的性能。

憑借其非常低的導(dǎo)通電阻、非常高且干凈的開關(guān)能力，GaN 器件的性能超過了其硅 MOSFET 同類器件的性能。這使它們成為具有將音頻性能提升到新水平的潛力的高端音頻應(yīng)用的完美選擇。

D 類 – 用開關(guān)放大信號(hào)

在 1950 年代，一個(gè)革命性的新概念被賦予了生命：使用有源設(shè)備放大音頻信號(hào)，這些有源設(shè)備不是在線性增益模式下運(yùn)行，而是充當(dāng)電子開關(guān)。其工作原理是，不是用晶體管來放大與輸入信號(hào)成正比的信號(hào)在線性區(qū)域，模擬輸出值是通過定時(shí)晶體管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的比率來表示的。這會(huì)生成一串矩形脈沖，通常具有固定幅度[1]，但具有不同的寬度和間隔，然后代表模擬音頻輸入信號(hào)的幅度變化。

基本上，與關(guān)閉狀態(tài)相比，開啟狀態(tài)越長(zhǎng)，它提供給揚(yáng)聲器負(fù)載的功率就越高。通過使開關(guān)交替比音頻信號(hào)頻率快得多，開關(guān)操作變得難以區(qū)分。由于晶體管要么完全“導(dǎo)通”，要么完全“關(guān)斷”，它們?cè)诰€性區(qū)域中花費(fèi)的時(shí)間很少，因此耗散的功率很小。

圖 1：理想實(shí)用的 D 類放大器、D 類放大器的基本配置和影響因素。D 類放大器的失真和功率效率取決于開關(guān)器件的精度和效率。

盡管 D 類是第一個(gè)理論上提供完全線性操作、0% 失真和 100% 功率效率無功率損耗的放大器拓?fù)洌?D 類音頻放大器的商業(yè)化不得不等到 90 年代，那時(shí)硅 (Si) MOSFET 具有足夠的良好的設(shè)備參數(shù)變得廣泛可用。

從那時(shí)起，隨著 Si MOSFET 性能作為首選晶體管器件技術(shù)的發(fā)展，D 類放大器的性能一直在逐步提高。然而，最近，隨著具有更好物理特性的基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件成為現(xiàn)實(shí)，D 類放大器性能的飛躍即將到來。

開關(guān)性能決定音頻性能

讓我們來看看功率器件的關(guān)鍵參數(shù)，以及這些參數(shù)如何影響 D 類放大器的開關(guān)以及最終的音頻性能。

與 A 類或 AB 類等傳統(tǒng)線性放大類相比，就設(shè)備參數(shù)而言，D 類放大器在音頻性能、尺寸和功率效率之間沒有任何折衷。在 D 類中，實(shí)現(xiàn)高音頻性能所需的關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)（例如開關(guān)速度和導(dǎo)通電阻）也有助于提高電源效率。更快的開關(guān)速度通過縮短能量損耗持續(xù)時(shí)間來最小化開關(guān)損耗，而較低的器件電阻可減少 I 2 R 損耗（與電流的平方成正比）。這標(biāo)志著 D 類的一大優(yōu)勢(shì)：電源開關(guān)器件具有更好的品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)能夠以更小的占位面積提高音頻質(zhì)量和電源效率。

D 類放大器的開關(guān)性能由器件參數(shù)和工作條件決定。根據(jù)輸出電流的幅度，D 類放大器功率級(jí)以兩種開關(guān)模式之一運(yùn)行：

零電壓開關(guān) (ZVS) 和硬切換

這兩種模式極大地影響 D 類放大器的器件開關(guān)損耗（開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的損耗）。

D 類放大器在第一種工作模式 ZVS 下工作，此時(shí)輸出功率（和輸出電流）相對(duì)較低，通常僅達(dá)到額定功率的百分之幾。在 ZVS 操作中，輸出開關(guān)波形的轉(zhuǎn)換是 ??，而不是通過電感電流換向?qū)崿F(xiàn)的開關(guān)導(dǎo)通 ?。開關(guān)輸出電壓的這種換向基本上消除了開關(guān)導(dǎo)通期間發(fā)生的任何功率損耗。因此，為了在空閑和輕負(fù)載條件下（放大器大部分時(shí)間都在工作）下最大限度地提高功率效率，需要插入一個(gè)較短的消隱時(shí)間。在此消隱時(shí)間內(nèi)，所有開關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)，以確保在下一個(gè)開關(guān)周期開始之前完成開關(guān)波形的轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn) ZVS。然而，這種消隱時(shí)間插入還會(huì)改變 PWM 調(diào)制器要求的輸出波形，因此會(huì)產(chǎn)生失真。消隱時(shí)間的持續(xù)時(shí)間由輸出電容 (Coss ) 的電源設(shè)備。對(duì)于相同的輸出電流，較大的 C oss需要較長(zhǎng)的消隱時(shí)間。GaN 晶體管的低得多的 C oss減少了所需的消隱持續(xù)時(shí)間，因此減少了失真。正如隨后所討論的，當(dāng) D 類放大器在硬開關(guān)模式下運(yùn)行時(shí)，較低的 Coss 也是有益的。

第二種操作模式是硬切換（在更高的輸出功率/電流下），它有兩個(gè)不希望的結(jié)果。硬開關(guān)模式的第一個(gè)不利后果是 MOSFET 體二極管中的反向恢復(fù)電荷 (Q rr )。在消隱期間，所有電源開關(guān)都關(guān)閉，體二極管承載輸出電流。體二極管中的 PN 結(jié)在其導(dǎo)通狀態(tài)期間會(huì)積累少數(shù)載流子電荷。將q RR必須在輸出電壓轉(zhuǎn)換到另一個(gè)開關(guān)端之前放電。這一步除了會(huì)產(chǎn)生功率損耗外，還會(huì)在電源軌之間的電流中產(chǎn)生一個(gè)尖銳的高峰值，并且是電磁干擾 (EMI) 噪聲發(fā)射的主要來源。GaN 晶體管沒有來自器件物理的體二極管或少數(shù)電荷效應(yīng)。因此，它表現(xiàn)出零 Q rr， 實(shí)現(xiàn)了更干凈的開關(guān)波形。

硬開關(guān)操作的第二個(gè)不良結(jié)果是開關(guān)輸出電容 C oss 的結(jié)果。C oss必須充電和放電才能打開和關(guān)閉開關(guān)，因此更大的 C oss意味著更大的充電/放電能量。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)在 C oss 中的能量在下一次開關(guān)打開時(shí)耗散。這種耗散是高開關(guān)頻率下功率損耗的一個(gè)重要來源。GaN 晶體管非常小的 C oss存儲(chǔ)的能量要少得多，因此降低了開關(guān)功率損耗。

與開關(guān)損耗類似，功率器件的傳導(dǎo)損耗也取決于器件技術(shù)和工作條件。傳導(dǎo)損耗與器件導(dǎo)通電阻和器件電流的平方成正比。GaN 技術(shù)以更小的外形尺寸實(shí)現(xiàn)了更低的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)了緊湊的高功率設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)上，在為 D 類放大器選擇 MOSFET 時(shí)，開關(guān)和傳導(dǎo)功率損耗在器件技術(shù)中處于一種權(quán)衡關(guān)系。例如，通過增加管芯尺寸以降低導(dǎo)通狀態(tài)電阻來減少傳導(dǎo)損耗會(huì)導(dǎo)致更高的柵極和輸出電容，從而降低開關(guān)速度，從而增加開關(guān)損耗。GaN 晶體管是晶體管技術(shù)的革命性進(jìn)步，可實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻，同時(shí)降低柵極和輸出電容，從而顯著降低功率損耗。因此，在 D 類放大器中，GaN 晶體管不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效和緊湊的設(shè)計(jì)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)卓越的音頻性能。

為什么 GaN 是高端 D 類的未來

D 類放大器需要更低的 R DS(on)以及更快、更干凈的開關(guān)轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)更高的額定功率，而這通常是 Si MOSFET 的相反性能權(quán)衡。這就是 D 類放大器可以從 GaN 中大大受益的原因?，F(xiàn)在讓我們來看看設(shè)備運(yùn)行機(jī)制，以發(fā)現(xiàn)這種突破性的性能是如何實(shí)現(xiàn)的。

圖 2：英飛凌 CoolGaN? e-mode HEMT 的橫截面

GaN HEMT 的基本結(jié)構(gòu)類似于 Si MOSFET，它包括柵極、源極和漏極端子。GaN 開關(guān)的核心是形成在 GaN 層中的橫向二維電子氣 (2DEG) 層。2DEG 是由 AlGaN 和 GaN 之間的異質(zhì)結(jié)形成的自由電子池，以極低的電阻在源極和漏極之間形成短路。在 AlGaN 層頂部添加 p-GaN 柵極會(huì)使相鄰的 2DEG 耗盡，因此當(dāng)沒有施加?xùn)艠O偏壓 (V GS = 0 V)時(shí)，漏極和源極不導(dǎo)電。這種增強(qiáng)模式柵極的工作原理與傳統(tǒng)的 Si MOSFET 類似。當(dāng)向柵極施加正偏置電壓時(shí)，耗盡層消失，2DEG 形成低電阻導(dǎo)電通道。

在消隱期間，從源極到漏極的反向傳導(dǎo)模式對(duì)于 D 類放大器至關(guān)重要，以便開關(guān)輸出電壓保持在電源軌內(nèi)。GaN 開關(guān)本質(zhì)上是一個(gè)雙向器件，因此它實(shí)現(xiàn)了反向電流作為導(dǎo)通狀態(tài)之一。當(dāng)漏極電壓低于源極電壓時(shí)，漏極開始充當(dāng)源極并開啟器件，允??許反向電流流動(dòng)。相比之下，Si MOSFET 是一個(gè)單向開關(guān)，帶有一個(gè)本征 PN 結(jié)體二極管，當(dāng)器件關(guān)閉時(shí)，它提供從源極到漏極的反向電流。

圖 3：與 Si MOSFET 相比，CoolGaN? 的開關(guān)波形更快、更清晰

GaN HEMT 中沒有體二極管是一個(gè)顯著特征，因?yàn)樗擞?Si MOSFET 中常見的 PN 結(jié)體二極管引起的開關(guān)噪聲的主要來源。因此，即使在高電壓、高電流和高速開關(guān)操作下，GaN HEMT 也能確保更清潔的開關(guān)。

工作示例——基于 250 W GaN 的 D 類放大器解決方案

所討論的 D 類放大器參考設(shè)計(jì)示例使用來自英飛凌的 CoolGaN? (IGT40R070D1 E8220) 和 200 V D 類驅(qū)動(dòng)器 IC (IRS20957S)。

使用 GaN HEMT 需要不同的柵極驅(qū)動(dòng)方案。Si MOSFET 在源極接收 0 V 或 10 V 柵極電壓以關(guān)閉和打開開關(guān)。柵極注入型 GaN 晶體管，例如英飛凌的 CoolGaN?，以類似的方式進(jìn)行控制，但具有不同的柵極驅(qū)動(dòng)電壓和一些持續(xù)的 DC 柵極偏置電流。在本設(shè)計(jì)示例中，接口電路（低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)中的 R25、R26、R29、C12 和 D6，高側(cè)相同）插入 GaN HEMT 的柵極中。接口電路的輸出在 -1 V 和 +3 V 之間擺動(dòng)，而不是來自 IRS20957S D 類控制器 IC 的 0 V 和 10 V。

表 1 參考設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)規(guī)范

圖 4：使用 400 V、70 mΩ 音頻專用 CoolGaN? (IGT40R070D1 E8220) 器件的 250 W + 250 W D 類設(shè)計(jì)示例

由此產(chǎn)生的音頻性能如圖 5 所示。它顯示了 500 kHz ? 的干凈切換，尤其是當(dāng)我們考慮到這是一個(gè) 400 V、70 mΩ R DS(on)max晶體管時(shí)。在從軟開關(guān)到硬開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中沒有可見的 THD+N 電平轉(zhuǎn)換凸起，這可能會(huì)在高壓 D 類放大器中出現(xiàn)在幾瓦左右。硬切換區(qū)域很好而且很安靜。

圖 5：THD+N 與 4Ω 負(fù)載下的輸出功率

如上所述，基于 GaN 的 D 類放大器的優(yōu)勢(shì)證明使用這種新型半導(dǎo)體材料是合理的。GaN 器件現(xiàn)在滲透到音頻領(lǐng)域，標(biāo)志著音頻功率放大下一章的開始。為什么這特別適合D班？與傳統(tǒng)的線性拓?fù)洳煌?，D 類的美妙之處在于可以實(shí)現(xiàn)功效和音頻性能的改進(jìn)，并且所有這些甚至可以在更小的外形尺寸中實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅