傳統上，發燒友一直看不起D類音頻放大器，因為開關電晶體從未實現具備足够開環綫性度的放大器以滿足最挑剔的聽衆的需求。隨著氮化鎵電晶體和積體電路的普及，設計人員現在可以用行銷標題為“達到THD+N性能目標和減少瞬態互調失真，實現微妙的溫暖感和添加色彩，享受最佳的聆聽體驗”。

基於矽MOSFET電晶體的D類系統的局限性

矽MOSFET歷來都是D類系統的首選開關電晶體。儘管其放大器效率更高，但由於其不完美的開關、高導通電阻和非常高的存儲電荷，它們被重失真困擾。這些電荷為功耗和引起振鈴（圖 1），從而導致更大的失真。

矽MOSFET存在一些局限性，可能會影響其在音頻應用中的性能。其中一些限制包括：

• 高開關損耗：當MOSFET導通或關斷時，它會經歷一個短暫的高功耗時期。這些開關損耗會降低效率和增加熱量。在D類音頻系統中，高開關損耗會降低輸出功率和整體系統效率。
• 帶寬受限：矽MOSFET的開關性能限制了輸出功率級的開關頻率。這種限制會降低效率和輸出功率。
• 熱量方面的限制：矽MOSFET會在高功率D類音頻系統中產生大量熱量。為了克服這個限制，許多設計人員使用大型的散熱器，從而增加了系統的尺寸、重量和成本。
• 閘極驅動方面的限制：閘極驅動電壓必須快速且準確以確保高效開關。在D類音頻系統中，閘極驅動的限制是閘極緩慢開啓，從而降低效率和增加失真。

電力電子工程師正在使用氮化鎵 (GaN)和碳化矽(SiC)等替代MOSFET的功率元件來克服以上的限制。這些元件具備更快的開關速度、更大的帶寬和改進了的散熱性能等優勢。

甚麽是氮化鎵(GaN)技術？

氮化鎵(GaN)是一種寬禁帶半導體，已被證明能够在傳統電源轉換應用中取代矽元件，包括DC/DC轉換、AC/DC轉換、馬達控制和音頻放大器等。基於氮化鎵的功率元件具有更高的擊穿强度、更快的開關速度、更高的導熱率和更低的導通電阻，其性能明顯優於矽基元件。

瞭解基於氮化鎵元件的音頻放大器的優勢

與傳統矽MOSFET相比，GaN FET和IC具有多項優勢，非常適合用於高質量、較低成本的D類音頻放大器。其中一些優勢包括：

• 更快的開關速度：氮化鎵元件具有比矽元件更高的電子遷移率，因此比傳統矽 MOSFET具有更快的開關速度，從而可降低開關損耗和提高整體效率。更高的開關頻率可以更精確地控制輸出波形，從而實現更低的失真、更高的保真度、更高的帶寬和更快的瞬態響應。
• 更低的導通電阻：由於氮化鎵元件比矽元件具有更寬的帶隙，因此與傳統的矽 MOSFET相比，GaN FET的導通電阻和傳導損耗顯著更低，從而降低了功耗和實現更高的輸出功率。這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。
• 減少元件數量：與基於矽元件的傳統設計相比，採用具有更高開關頻率的氮化鎵元件的設計可以採用更少、成本更低的外部元件，從而簡化了放大器設計和降低了總體成本。
• 更低的失真：GaN FET具有更低的寄生電容和電感，從而減少失真和提高整體保真度。
• 更小的外形尺寸：在相同性能規格下，氮化鎵元件比矽元件更小型化，從而可實現更小、更緊凑的放大器設計。

總體而言，對於音頻放大器應用，特別是那些需要高功率輸出和高保真度的應用，氮化鎵元件比矽元件具有更高的性能、更高的效率和更高的保真度等優勢。

氮化鎵元件在音頻功放的應用

GaN FET和IC非常適合需要高性能、高效率和高功率輸出的音頻應用。氮化鎵技術在以下的應用特別具備優勢：

• 獨立運行的音頻放大器：由於氮化鎵元件具備高開關速度、低導通電阻和高擊穿電壓等優勢，使它成爲D類音頻放大器的理想選擇。這些特性使能具有高功率、高保真度的放大器，可實現優越的效率和更低的失真。
• 有源揚聲器：氮化鎵元件可用於有源揚聲器的功率級，包括條形音箱和無綫揚聲器，從而能够設計出更小、更輕、更高效的系統，以及提高音質。
• 高功率便携式音頻系統：氮化鎵可用於便携式音頻設備的電源管理電路，從而延長電池壽命和提高音質。
• 專業音頻系統：氮化鎵元件非常適合需要大功率輸出和高保真度的高性能專業音頻系統，例如音樂會音響系統、專業調音台、錄音室和廣播設施。
• 汽車音頻系統：氮化鎵元件可用於汽車音頻系統的功率級，以更小的外形尺寸實現更高的輸出功率和更高的效率。

音頻技術公司如何在其產品中使用氮化鎵技術

目前多家音頻公司正在其放大器中使用氮化鎵技術，例如：

• 松下開發了一種基於氮化鎵元件的音頻放大器技術，用在其重新推出的高端發燒友 Technics品牌。該技術可用於各種音頻產品，包括汽車音響系統、家庭影院系統和便携式藍牙揚聲器。
• Innosonix在其高端Maxx系列多通道功率放大器中用 GaN FET替代傳統的矽FET，降低了待機損耗35%、提高總功率效率5%。氮化鎵元件的乾淨開關波形可實現近乎完美的開關電壓，因此具有更好的綫性度。這使得諧波失真減少了近 6dB，音頻質量得到明顯改善。

• Syng在其高保真無綫揚聲器的電源設計中採用GaN FET。電源設計採用氮化鎵元件進行優化，可在小空間內以最少散熱實現最佳性能。基於氮化鎵元件的設計無需散熱器或風扇進行冷却，從而可以實現更小、更時尚的設計。

基於氮化鎵元件的音頻放大器的未來

在行業的音頻放大器採用氮化鎵元件的未來看起來非常有前途。隨著氮化鎵技術的不斷發展，相對於傳統矽MOSFET技術，氮化鎵具備諸多優勢，預計其將在音頻放大器中得到更廣泛的應用。

氮化鎵元件有望在音頻放大器行業取得重大進展的一些關鍵領域包括：

• 更高的功率密度：氮化鎵技術可在更小的外形尺寸中實現更高的功率輸出，使其成爲專業音響系統和汽車音響等高功率音頻應用的理想選擇。
• 更高的效率：基於氮化鎵元件的放大器比基於矽 MOSFET 的傳統放大器具有更高的效率。 這意味著基於氮化鎵元件的放大器可以在更少的散熱條件下，提供相同的功率，這對於便携式和汽車音頻系統尤其重要。
• 改善音質：基於氮化鎵元件的放大器比傳統放大器具有更低的失真和更少的噪聲。這意味著可以放大音頻信號、實現更高的保真度和改善音質。
• 更小的尺寸和更輕：基於氮化鎵元件的放大器比傳統放大器需要更少的元件，從而實現更小、更輕的放大器設計。
• 降低成本：隨著氮化鎵技術不斷成熟和得到更廣泛應用，基於氮化鎵元件的放大器的成本預計會繼續下降，使其更容易應用於更廣泛的音頻放大器應用。

隨著音頻技術公司不斷探索基於氮化鎵元件的放大器的潜力，我們預計未來幾年將看到更多採用氮化鎵技術的創新音頻放大器產品。

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Renee Yawger, Director of Marketing