博客 -- 氮化镓技术如何击败硅技术
基于氮化镓器件的音频放大器 - 音频功放的最新技术

基于氮化镓器件的音频放大器 - 音频功放的最新技术

4月 13, 2023

基于氮化镓器件的音频放大器 - 音频功放的最新技术

基于硅MOSFET晶体管的D类系统的局限性

硅MOSFET历来都是D类系统的首选开关晶体管。尽管其放大器效率更高,但由于不完美的开关、高导通电阻和非常高的存储电荷,它们被重失真困扰。这些电荷为功耗并引起振铃(图 1),从而导致更大的失真。

Comparison of Ideal switching waveform vs. actual waveform of eGaN FETs vs. MOSFETs
图 1:eGaN FET与MOSFET的理想开关波形与实际波形的比较

硅MOSFET存在一些局限性,可能会影响其在音频应用中的性能。其中一些限制包括:

  • 高开关损耗:当MOSFET导通或关断时,它会经历一个短暂的高功耗时期。这些开关损耗会降低效率和增加热量。在D类音频系统中,高开关损耗会降低输出功率和整体系统效率。
  • 带宽受限:硅MOSFET的开关性能限制了输出功率级的开关频率。这种限制会降低效率和输出功率。
  • 热量方面的限制:硅MOSFET会在高功率D类音频系统中产生大量热量。为了克服这个限制,许多设计人员使用大型的散热器,从而增加了系统的尺寸、重量和成本。
  • 栅极驱动方面的限制:栅极驱动电压必须快速且准确以确保高效开关。在D类音频系统中,栅极驱动的限制是栅极缓慢开启,从而降低效率和增加失真。

电力电子工程师正在使用氮化镓 (GaN)和碳化硅(SiC)等替代MOSFET的功率器件来克服以上的限制。这些器件具备更快的开关速度、更大的带宽和改进了的散热性能等优势。

什么是氮化镓(GaN)技术?

氮化镓(GaN)是一种宽禁带半导体,已被证明能够在传统电源转换应用中取代硅器件,包括DC/DC转换AC/DC转换电机驱动音频放大器等。基于氮化镓的功率器件具有更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的导热率和更低的导通电阻,其性能明显优于硅基器件。

了解基于氮化镓器件的音频放大器的优势

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

  • 更快的开关速度:氮化镓器件具有比硅器件更高的电子迁移率,因此比传统硅 MOSFET具有更快的开关速度,从而可降低开关损耗和提高整体效率。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、更高的带宽和更快的瞬态响应。
  • 更低的导通电阻:由于氮化镓器件比硅器件具有更宽的带隙,因此与传统的硅 MOSFET相比,GaN FET的导通电阻和传导损耗显着更低,从而降低了功耗和实现更高的输出功率。这使得放大器效率可以更高、需要更少的冷却和外形尺寸可以更小。
  • 减少元件数量:与基于硅器件的传统设计相比,采用具有更高开关频率的氮化镓器件的设计可以采用更少、成本更低的外部元件,从而简化了放大器设计和降低了总体成本。
  • 更低的失真:GaN FET具有更低的寄生电容和电感,从而减少失真和提高整体保真度。
  • 更小的外形尺寸:在相同性能规格下,氮化镓器件比硅器件更小型化,从而可实现更小、更紧凑的放大器设计。

总体而言,对于音频放大器应用,特别是那些需要高功率输出和高保真度的应用,氮化镓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等优势。

氮化镓器件在音频功放的应用

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。氮化镓技术在以下的应用特别具备优势:

  • 独立运行的音频放大器:由于氮化镓器件具备高开关速度、低导通电阻和高击穿电压等优势,使它成为D类音频放大器的理想选择。这些特性使能具有高功率、高保真度的放大器,可实现优越的效率和更低的失真。
  • 有源扬声器:氮化镓器件可用于有源扬声器的功率级,包括条形音箱和无线扬声器,从而能够设计出更小、更轻、更高效的系统,以及提高音质。
  • 高功率便携式音频系统:氮化镓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质。
  • 专业音频系统:氮化镓器件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。
  • 汽车音频系统:氮化镓器件可用于汽车音频系统的功率级,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氮化镓技术

目前多家音频公司正在其放大器中使用氮化镓技术,例如:

  • 松下开发了一种基于氮化镓器件的音频放大器技术,用在其重新推出的高端发烧友 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扬声器。
  • Innosonix在其高端Maxx系列多通道功率放大器中用 GaN FET替代传统的硅FET,降低了待机损耗35%、提高总功率效率5%。氮化镓器件的干净开关波形可实现近乎完美的开关电压,因此具有更好的线性度。这使得谐波失真减少了近 6dB,音频质量得到明显改善。
  • Syng在其高保真无线扬声器的电源设计中采用GaN FET。电源设计采用氮化镓器件进行优化,可在小空间内以最少散热实现最佳性能。基于氮化镓器件的设计无需散热器或风扇进行冷却,从而可以实现更小、更时尚的设计。

基于氮化镓器件的音频放大器的未来

在行业的音频放大器采用氮化镓器件的未来看起来非常有前途。随着氮化镓技术的不断发展,相对于传统硅MOSFET技术,氮化镓具备诸多优势,预计其将在音频放大器中得到更广泛的应用。

氮化镓器件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:氮化镓技术可在更小的外形尺寸中实现更高的功率输出,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:基于氮化镓器件的放大器比基于硅 MOSFET 的传统放大器具有更高的效率。 这意味着基于氮化镓器件的放大器可以在更少的散热条件下,提供相同的功率,这对于便携式和汽车音频系统尤其重要。
  • 改善音质:基于氮化镓器件的放大器比传统放大器具有更低的失真和更少的噪声。这意味着可以放大音频信号、实现更高的保真度和改善音质。
  • 更小的尺寸和更轻:基于氮化镓器件的放大器比传统放大器需要更少的元件,从而实现更小、更轻的放大器设计。
  • 降低成本:随着氮化镓技术不断成熟并得到更广泛应用,基于氮化镓器件的放大器的成本预计会继续下降,使其更容易应用于更广泛的音频放大器应用。

随着音频技术公司不断探索基于氮化镓器件的放大器的潜力,我们预计未来几年将看到更多采用氮化镓技术的创新音频放大器产品。

如需了解更多信息或开展基于氮化镓器件的D类音频设计,请与我们EPC团队联系

如欲了解有关使用EPC氮化镓器件的D类音频应用的更多信息,请点击这里