【技术】氮化镓器件：为音频放大器提供更快的开关速度、更高的带宽和改进的热性能
传统上，音频发烧友对D类音频放大器嗤之以鼻，因为开关晶体管的性能有限，无法产生具有足够开环线性度的放大器来满足最挑剔的听众。随着氮化镓晶体管和集成电路的迅速采用，设计人员现在可以实现产品标题营销所需的THD+N性能目标并减少瞬态互调失真，以实现音乐的温暖微妙和色彩，以获得最佳的听力体验。
D类系统中硅MOSFET晶体管的局限性
硅MOSFET历来是D类系统的首选开关晶体管。尽管它们可用于设计更高效的放大器，但由于不完美的开关、高导通电阻和非常高的存储电荷，它们一直受到失真的困扰，从而产生耗散功率并引起振铃（图1），从而导致额外的声音失真。
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导通或关断时，它会经历一段短暂的时间，在此期间会消耗大量功率。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和整体系统效率降低。
有限带宽：硅MOSFET的开关性能限制了输出级开关频率。这种限制会导致效率降低和输出功率降低。
热限制：硅MOSFET会在大功率D类音频系统中产生大量热量。为了应对这一限制，许多设计人员使用体积庞大的散热器，这会增加系统的尺寸、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，以确保高效开关。在D类音频系统中，缓慢的栅极开启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、更高的带宽和改进的热性能等优势。
什么是氮化镓(GaN)技术？
氮化镓(GaN)是一种宽带隙半导体，已证明能够在传统电源转换应用中取代硅，包括DC-DC转换、AC/DC转换、电机驱动和音频放大器等。凭借更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的热导率和更低的导通电阻，基于GaN的功率器件明显优于硅基器件。
了解氮化镓音频放大器的优势
与传统的硅MOSFET相比，GaN FET和IC具有多项优势，使其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的电子迁移率高于硅，因此开关速度比传统的硅MOSFET更快。此功能可降低开关损耗并提高整体效率。更高的开关频率可以更精确地控制输出波形，从而实现更低的失真、更高的保真度、更高的带宽和更好的瞬态响应。
导通电阻更低：GaN的带隙比硅宽；因此，与传统的硅MOSFET相比，GaNFET具有显着更低的导通电阻和更低的传导损耗，从而降低功率损耗并允许更高的输出功率。这导致放大器效率更高，需要更少的散热，并且可以用更小的外形尺寸设计。
减少元件数量：GaN的开关频率更高，因此设计需要的外部组件比传统硅设计更少、更便宜，从而简化了放大器设计并降低了总体成本。
更低的失真：GaN FET具有更低的寄生电容和电感，从而减少失真并提高整体保真度。
更小的外形尺寸：GaN器件可以做得比具有相同性能规格的硅器件更小。GaN的这一优势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度的应用，GaN器件比硅器件具有更高的性能、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技术特别有益的一些音频应用包括：
独立音频放大器：GaN是D类音频放大器的理想选择，因为它具有高开关速度、低导通电阻和高击穿电压。这些特性使高功率、高保真放大器的设计具有出色的效率和更低的失真成为可能。
有源扬声器：GaN可用于有源扬声器的功率级，包括soundbar和无线扬声器，从而能够设计出更小、更轻、更高效的系统，同时提高音频质量。
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，从而延长电池寿命并提高音频质量。
专业音频系统：GaN非常适合需要大功率输出和高保真度的高性能专业音频系统，例如音乐会音响系统、专业调音台、录音室和广播设施。
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
一些音频公司目前正在他们的放大器中使用GaN技术。这里有一些例子：
Panasonic开发了一种基于GaN的音频放大器技术，并将其用于重新推出其高端音频发烧友Technics品牌。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音箱等。
Innosonix在其高端Maxx系列多通道功率放大器中用GAN FET取代了传统的硅FET，将闲置损耗降低了35%，并将总功率效率提高了5%。GaN干净的开关波形使得开关电压近乎完美，因此具有更好的线性度。这使得谐波失真减少了近6dB，并改善了音频质量。
Syng选择GaN FET作为其高保真无线扬声器的电源设计。电源设计使用GaN进行了优化，可在狭小空间内实现最佳性能，同时将散热降至最低。GaN设计消除了对散热器或风扇冷却的需求，从而实现了更小、更平滑的设计。
氮化镓音频放大器的未来
GaN在音频放大器行业的未来看起来非常有前途。随着GaN技术的不断发展，由于其优于传统硅MOSFET技术的众多优势，有望在音频放大器中得到更广泛的应用。
GaN有望在音频放大器行业取得重大进展的一些关键领域包括：
更高的功率密度：GaN技术允许以更小的外形尺寸输出更高的功率，使其成为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的放大器提供比传统的基于硅MOSFET的放大器更高的效率。这意味着基于GaN的放大器能够以更少的热耗散提供相同的功率，这对于便携式和汽车音频系统尤为重要。
改进的音频质量：基于GaN的放大器提供比传统放大器更低的失真和噪声。这意味着可以以更高的保真度放大音频信号，从而提高音频质量。
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，从而实现更小、更轻的放大器设计。
更低的成本：随着GaN技术的不断成熟和普及，基于GaN的放大器的成本有望降低，从而使其更容易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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