【技术】氮化镓音频放大器：音频功率放大的最新技术

时间： 2023-06-17 来源：EPC官网

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传统上，音频发烧友对D类音频放大器持贬低态度，因为开关晶体管的性能从未优化过，无法提供具有足够开环线性度的放大器，以满足最苛刻的听众。随着GaN晶体管和集成电路的快速采用，设计人员现在可以实现所需的、“以THD + N 性能为标题进行营销” 的目标，并减少瞬态互调失真，实现音乐的温暖微妙与色彩，提供最佳的聆听体验。

硅MOSFET晶体管在D类系统中的局限性

硅MOSFET历来是D类系统的首选开关晶体管。尽管利用它们能产出更高效的放大器，但由于开关不完善、高导通电阻和非常高的存储电荷（这会消耗功率并引起振铃（见图 1），从而导致额外的声音失真），它们一直受到失真的困扰。

图1：理想开关波形 VS eGaN FET的实际开关波形 VS MOFSET的实际开关波形

硅MOSFET的局限性会影响其在音频应用中的性能。其中一些局限性包括：

高开关损耗：当 MOSFET 开通或关断时，会经历一段短暂的时间，在此期间它会消耗大量的功率。这些开关损耗会导致效率降低和发热增加。在 D 类音频系统中，高开关损耗会导致输出功率降低，并且系统整体的效率也会降低。

受限的带宽：硅MOSFET的开关性能限制了输出级的开关频率。这种限制会导致效率降低和输出功率降低。

热限制：硅MOSFET在高功率D类音频系统中会产生大量热量。为了克服这一局限性，许多设计人员使用笨重的散热器，这增加了系统的尺寸、重量和成本。

栅极驱动限制：必须快速准确地提供栅极驱动电压，以确保有效的开关。在D类音频系统中，由于栅极开启缓慢而导致的栅极驱动限制会降低效率并增加失真。

电力电子工程师正在使用氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等替代性功率器件来克服这些限制。这些器件具有更快的开关速度、更高的带宽和更好的热性能等优势。

何为氮化镓（GaN）技术？

氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体，在传统的电源转换应用中（包括DC-DC 转换、AC/DC转换、电机驱动和音频放大器等），它已经证明其能够取代硅。基于GaN的功率器件具有更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的热导率和更低的导通电阻，其性能明显优于硅基器件。

了解GaN音频放大器的好处

与传统的硅MOSFET相比，GaN FET和IC具有多项优势，非常适合用于高质量、低成本的D类音频放大器。其中一些优势包括：

更快的开关速度：GaN具有比硅更高的电子迁移率，因此开关速度比传统的硅MOSFET更快。这一特性降低了开关损耗，提高了整体效率。开关频率越高，对输出波形的控制就越精确，这样，就能实现更低的失真、更高的保真度、更高的带宽和更好的瞬态响应。

较低的导通电阻：GaN具有比硅更宽的带隙；因此，与传统的硅MOSFET相比，GaN FET具有显著更低的导通电阻，传导损耗也有所减少，这就减少了功率损耗并能实现更高的输出功率。因此，就能产出更高效的放大器，这种放大器需要的冷却更少，构建上所需的外形尺寸也更小。

元件数量减少：与传统的硅设计相比，GaN的开关频率更高，因此设计所需的外部元件更少、更便宜，从而简化了放大器设计并降低了总成本。

较低失真：GaN FET具有较低的寄生电容和电感，这减少了失真并提高了整体保真度。

更小的外形尺寸：GaN器件可以制造得比具有相同性能指标的硅器件更小。GaN的这一优点允许更小和更紧凑的放大器设计。

总体而言，对于音频放大器应用，尤其是那些需要高功率输出和高保真的应用，GaN器件提供了比硅器件更高的性能、更高的效率和更高的保真度。

GaN在音频功率放大中的应用

GaN FET和GaN IC非常适合需要高性能、高效率和高功率输出的音频应用。GaN技术能发挥突出优势的一些音频应用包括：

独立音频放大器：GaN具有高开关速度、低导通电阻和高击穿电压，是D类音频放大器的理想选择。这些特性使得高功率、高保真放大器的设计具有出色的效率和更低的失真度。

有源扬声器：GaN可用于有源扬声器的功率级，包括条形扬声器和无线扬声器，从而让系统设计更小、更轻、更高效，同时让音频质量更高。

高功率便携式音频系统：GaN可用于便携式音频设备的电源管理电路，延长电池寿命并改善音频质量。

专业音频系统：GaN非常适合需要高功率输出和高保真的高性能专业音频系统，如音乐会音响系统、专业音频混音控制台、录音棚和广播设施。

汽车音响系统：GaN可用于汽车音响系统的功率级，以更小的外形尺寸实现更高的输出功率和更高的效率。

音频技术公司如何在其产品中使用GaN技术

几家音频公司目前正在其放大器中使用GaN技术。这里有几个例子：

松下开发了基于GaN的音频放大器技术，并用了该技术来重新推出他们的高端发烧友品牌Technics 。该技术可用于各种音频产品，包括汽车音响系统、家庭影院系统和便携式蓝牙扬声器。

Innosonix在其高端Maxx 系列多通道功率放大器中使用GaN FET代替传统的硅FET，将空载损失降低了35％，总功率效率提高了5 ％。GaN干净的开关波形导致几乎完美的开关电压，因此具有更好的线性度。这导致谐波失真减少了近 6dB，并且在听觉上改善了音频质量。

Syng 选择 GaN FET 用于其高保真无线扬声器的电源设计。该电源设计采用GaN进行优化，可在小空间内实现最佳性能，同时散热量最小。GaN设计消除了对散热器或风扇冷却的需要，从而使设计更小、更时尚。

氮化镓音频放大器的未来

GaN在音频放大器行业的前景非常光明。由于相对传统硅MOSFET技术，GaN技术具备诸多优势，预计随着该技术的不断发展，它将在音频放大器中得到更广泛的应用。

在音频放大器行业，GaN有望取得重大进展的一些关键领域包括：

更高的功率密度：GaN技术可在更小的外形尺寸中实现更高的功率输出，因此，它成了专业音响系统和汽车音响等高功率音频应用的理想选择。

更高的效率：基于GaN的放大器比传统的基于硅MOSFET的放大器具有更高的效率。这意味着GaN基的放大器可以以更少的散热提供相同的功率，这对于便携式系统和汽车音频系统尤其重要。

改善的音频质量：与传统放大器相比，基于 GaN 的放大器具有更低的失真和噪声。这意味着音频信号可以以更高的保真度进行放大，从而让音频质量得到提高。

更小的尺寸和重量：与传统放大器相比，基于 GaN 的放大器需要更少的元件，因此，人们能设计出更小更轻的放大器。

更低的成本：随着GaN技术不断成熟并变得更加普及，基于GaN的放大器的成本有望降低，使其更适用于更广泛的音频应用。

随着音频技术公司继续探索基于 GaN 的放大器的潜力，我们可以期待在未来几年看到更多采用该技术的创新音频产品。

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