GaN FET 如何成为音响发烧友的技术
出处:维库电子市场网 发布于:2023-12-28 17:29:50
但对于发烧友来说,终的目标是纯净的声音。这意味着任何可能输入放大器的可听噪声应尽可能保持接近于零。通常,更高的开关频率会导致更高水平的 EMI 和更高水平的可听噪声,这与音频公司试图实现的目标恰恰相反。然而 GaN FET 的特性开关行为与硅器件不同。图1比较了上一代高端音频设备中使用的典型硅 MOSFET(蓝线)和 Nexperia 目前在同一应用中制造和销售的 GaN FET 器件(红线)的开关波形。我们可以看到,虽然 MOSFET 的性能非常适合该任务,但关断时存在高度振铃,并且 505V 的峰值电压远高于 GaN 器件。GaN部分平滑得多,峰值仅为420V。
应该指出的是,硅和 GaN 器件并不完全可比,因为它们是不同的技术,但是,众所周知,GaN FET 器件可以实现平滑切换,从而显着降低电气噪声和听觉噪声。本出版物中近发表的一篇文章“GaN 从源头上消除了 EMC”,由 Büro Springett 的独立顾问工程师 Nigel Springett 撰写(Bodo 电源系统,2021 年 1 月),该文章提供了测量数据,显示 EMI 显着降低 – 170kHz 时降低 10dB – 主要通过以下方法实现在 3kW 电源设计中用 Nexperia GAN FET 取代硅 MOSFET。虽然该设计的噪声频谱与可听频率有很大不同,但原理是相同的。
为什么 GaN 的开关比硅“更平滑”且振铃更少?就 Nexperia 而言,答案在于设备的设计。GaN HEMT 作为耗尽型 FET 运行,具有自然“导通”状态。出于安全性和可接受性的考虑,大多数工程师更喜欢在开关应用中使用自然“关闭”的设备。目前有两种方法可以实现自然“关闭”操作——单芯片增强模式(e-mode)或两芯片共源共栅模式器件。e 模式 p-GaN HEMT 的栅极结构使其对栅极驱动电压非常敏感,并且阈值电压非常低。它们也可能很难驾驶。出于这些原因,Nexperia 更喜欢堆叠芯片共源共栅结构,该结构将低电压、低 R DS(on) MOSFET 与自然“开”的 GaN HEMT 器件串联配对(图2)。这种配置提供了坚固可靠的硅栅极绝缘(电介质)栅极结构,再加上高压 GaN HEMT 改进的电压阻断特性,有效地将 GaN HEMT 自然“导通”工作状态的优点与自然“关闭”设备的安全性和操作优势。更好的是,共源共栅器件可以由具有简单的 0-10 或 12 V 驱动电压的标准经济高效栅极驱动器驱动。
为了我们讨论噪声(高性能音频放大器的可闻噪声和电源示例的 EMI),共源共栅结构提供了额外的好处。Nexperia 与低压硅 MOSFET 和 GaN HEMT 的电容紧密匹配,硅器件起到的作用,从而产生平滑的波形。Transphorm 的 Yifeng Wu 和 Nexperia 的 Yan Lai 在题为“GaN Cascode 器件内部雪崩相关的可靠性和性能”的 Nexperia 论文中详细讨论了这种电容匹配。
具有出色的瞬时供电能力,并且可以实现强劲的声音,这都是适合高端音频应用的属性。然而,传统上人们对它们持负面看法,因为它们会因开关操作而产生噪声。出于同样的原因,更高的开关速度也是一个问题。现在,具有更平滑切换功能的 GaN 开关正在让音频设备制造商重新思考。图 3展示了一家制造商提供的真实数据,该制造商目前正在使用 GaN 开关,并将其产品的开关速度提高到 400kHz,而之前的硅基放大器仅限于 100kHz。
在 20Hz 至 20kHz 的整个可听频谱中,新型放大器中的 GaN 电源产生的噪声(橙线)远低于老一代产品(蓝线)。该公司在新设计中采用了宽带、低噪声参考电压生成电路和控制电路。这确保了稳定的增益并实现了平坦至低频的超低噪声特性
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