在评估新型半导体技术时，专业音频行业传统上优先考虑可靠性、可预测的生命周期以及长期产品稳定性。因此，新兴器件平台通常只有在其电气性能和稳健性得到充分验证后才会被引入。

在这样的背景下，Innosonix 首席执行官兼联合创始人 Markus Bätz 早在 2020 年就决定从硅功率器件转向氮化镓（GaN）——比 GaN 在专业音频领域被广泛讨论还要早数年。

Markus Bätz，Innosonix 首席执行官兼联合创始人

早期采用与 EPC 合作

“当时我们正在为中低功率专业功放寻找一个新平台，大约每通道 50 至 300 瓦，”Bätz 解释道。“我们需要一个能够很好匹配 ±60 V 电源轨的方案，于是找到了 EPC 的 150 V 器件。EPC2059 在电气性能上几乎是完美匹配。”

随后发生的不仅仅是一次技术转型，更是公司在功放设计理念上的转变。与许多传统半导体供应商不同，EPC 提供开放访问的数据手册、应用笔记以及详细的可靠性报告。

“所有资料都在线，所有内容都有文档支持，”Bätz 表示。“对于像我们这样的公司来说，这一点非常重要。”

这种开放性，加上 EPC 工程团队的直接参与，使公司在当时许多音频制造商仍持谨慎态度的情况下，建立了采用 GaN 的信心。

GaN 在 Class-D 音频中的技术优势

在高性能 Class-D 音频系统中，开关器件的选择直接影响关键声音指标。eGaN FET 相较于硅 MOSFET 具有多项关键优势：

• 更低的导通损耗
• 更快的开关转换速度
• 零反向恢复电荷
• 在相同导通电阻下显著更低的栅极电荷
• 极低的输出电容

这些特性使设计人员能够提高 PWM 频率、缩短死区时间，并在输出级更接近理想的数字功率波形。这种组合既降低了由传播延迟、死区时间及二极管恢复效应引起的开环失真，同时也减少了开关损耗，从而避免需要更大的散热器。

更短的开通和关断延迟以及更陡峭的边沿，使得在较轻反馈条件下即可实现更低的 THD+N 和更低的瞬态互调失真（T-IMD）。EPC 发布的参考设计 显示，基于 GaN 的 Class-D 级可实现低于 0.005% 的 THD+N 以及高于 120 dB 的 SNR。

Innosonix 成功的核心在于其专注于真实世界性能的工程理念。GaN 技术不仅改善了单一参数，而是改变了整个设计方法。

“最大的优势在于我们可以在更高的开关频率下运行而不会产生巨大的损耗，”Bätz 表示。“这使我们能够缩小体积、提高效率，并改善环路性能，从而提升音质。”

尽管总谐波失真（THD）的改善幅度有限——因为安装级扬声器往往主导听感质量——但在效率、热管理和功率密度方面的提升却十分显著。

设计选择与权衡

该设计策略有意优先最小化开关损耗，而非导通损耗，充分利用 GaN 器件极低的输出电容和几乎为零的反向恢复电荷。这种方法与音频信号的高峰值因数特性相匹配——峰值电流持续时间短，而平均热负载相对适中。

“音频具有很高的峰值因数，因此单纯优化导通损耗并没有意义，”Bätz 解释道。“开关损耗才是主导因素，因此像 EPC2207 这样的器件整体表现更好。”

因此，EPC2207 成为低功率通道的首选，而 EPC2307 则支持千瓦级高功率设计。

然而，GaN 器件固有的高速特性需要谨慎管理。“我们实际上需要通过增加栅极电阻来稍微降低器件速度，”Bätz 指出。“否则开关边沿会干扰模拟调制器。最终，我们牺牲了一部分原始速度来换取整个系统的稳定性。”

另一个有意识的权衡涉及死区时间。虽然采用极小死区时间的硬开关可以改善失真指标，但会显著增加空载损耗。“空载功耗对我们来说更重要，”Bätz 表示。“我们追求的是绿色解决方案，而不仅仅是漂亮的数据表。”

在 PCB 集成方面，从芯片级（晶圆级）封装转向 QFN 封装简化了装配流程，并提高了热机械可靠性，同时保持了快速、干净开关所需的低寄生电感。EPC 关于钢网设计、焊膏体积以及热循环行为的指导，对于实现长期高可靠性至关重要（图 1）。

系统级优势与市场

如今，公司产品组合中的每一款功放产品均基于 GaN。例如 LP² 系列在单个 1U 机架中即可提供 32 个功放通道——这种功率密度使用硅器件几乎难以实现。

“这种密度不是锦上添花，而是核心价值所在，”Bätz 表示。在所有通道开启的情况下，总空载功耗仍低于 100 W，大幅降低了散热和冷却需求。

这一能力打开了新的市场。高通道数量且空间受限的环境，如超级游艇、豪华住宅和大型剧院，成为关键应用领域。“在游艇上，机架空间极其昂贵，”他说。“没有人愿意为技术设备占用超过必要的空间。”

在剧院和大型安装项目中，其优势同样明显。更低的发热量减少了 HVAC 需求，简化了改造流程，并降低了总体拥有成本。

这些功放如今为豪华游艇上的高端系统以及全球专业商用音视频安装项目供电。

公司近期推出的 Micro Maxx 系列（包括 PoE 和市电供电版本）采用相同的 GaN 功放核心，但面向更广泛、对成本更敏感的市场（图 2、3）。

可靠性经验

向 GaN 转型并非一帆风顺。早期确实出现了一些可靠性问题——并非器件本身的弱点，而是由于习惯于硅封装的团队对工艺细节不够熟悉所致。

“在最初几年，我们的可靠性表现确实很差，这完全是我们自己的问题，”Bätz 承认。“钢网设计、焊膏选择、精确的焊膏体积——对于芯片级 GaN 器件来说，一切都至关重要。”

热应力管理也需要新的思维方式。一旦这些因素得到解决，长期测试表明其稳健性极佳，即便在严苛过载条件下亦如此。

虽然公司目前已安装约 25,000 个音频通道，但规模仍不足以在 ppm 级别上得出具有统计意义的失效率数据。不过现场经验令人鼓舞。EPC 详尽的可靠性报告在加速学习过程中发挥了关键作用。“如果真正阅读并理解这些文档，大多数陷阱都已经写得很清楚，”Bätz 补充道。

未来展望

展望未来，诸如 EPC2304 等器件正在为基于 GaN 的电源方案打开大门，包括 LLC 转换器和多级 PFC 架构。

“这才是真正令人兴奋的地方，”Bätz 表示。“GaN 不再只是功放本身，而是整个电源架构。”

EPC 在 Innosonix 的未来规划中仍将发挥重要作用。Bätz 表示：“显然，我们应该采用最新技术。这就是我们的 DNA：我们不害怕尝试新事物。”

Innosonix 销售总监 Richard Van Nairn 补充道，双方的合作不仅关乎技术，也关乎文化：“随着我们的成长，我们希望与 EPC 一同成长。”

Innosonix 展示了当工程好奇心遇上新一代半导体创新会产生什么样的成果。他们打造全球最顶级的海事音响系统，并不断突破专业音频效率的极限。

对于专业音频而言，GaN 的意义或许并不在于失真数字本身，而在于它使系统更小、更冷、更高效，从而逐步改变功放的设计、制造与应用方式。

参考资料

- EPC Corporation. GaN for Audio. https://epc-co.com/epc/cn/应用/面向音頻放大器的氮化镓器件

- Innosonix GmbH. (2020). 自 2020 年以来引领 GaN 功放技术。https://www.innosonix.de/blog/pioneering-gan-technology-advancements-since-2020

- 使用 EPC GaN FET 的下一代音频功放，Tiziano Morganti

- GaN 功率器件在高效电源转换中的应用，第四版 — 作者：Alex Lidow、Michael de Rooij、John Glaser、Alejandro Pozo Arribas、Shengke Zhang、Marco Palma、David Reusch、Johan Strydom。

Maurizio Di Paolo Emilio, Director of Global Marketing Communications at EPC