基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）是一種新技術(shù)，可用作D類設(shè)計(jì)中的開關(guān)器件，并可提供更高的效率和音頻質(zhì)量。

 

滿足D類放大器的需求

 

為了能夠接近D類放大器理論上的高性能，開關(guān)器件需要具備低導(dǎo)通電阻，以最大程度地降低I2R損耗。GaN器件具有比Si MOSFET低得多的導(dǎo)通電阻，并且可以通過較小的芯片面積實(shí)現(xiàn)。反過來，這種小芯片封裝也可以幫助設(shè)計(jì)師將更多緊湊型放大器推向市場(chǎng)。

 

開關(guān)損耗是另一個(gè)需要充分考慮的因素。在中、高功率輸出時(shí)，D類放大器的性能非常出眾。但是，由于功率器件中的損耗，功率輸出最低時(shí)的效率也最低。

 

為了克服這一挑戰(zhàn)，一些D類放大器采用兩種工作模式。在播放低音量音頻時(shí)，這種多級(jí)技術(shù)限制了功率器件可以切換到的輸出電壓。一旦輸出音量達(dá)到設(shè)定的閾值，開關(guān)的輸出電壓軌就會(huì)增大，從而可提供完整的電壓擺幅。為了進(jìn)一步降低開關(guān)損耗的影響，在低輸出量時(shí)可以使用零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)，而在高功率水平時(shí)改為硬開關(guān)。

 

當(dāng)使用Si MOSFET實(shí)施時(shí)，由于功率器件關(guān)斷和導(dǎo)通時(shí)輸出的非零電壓，硬開關(guān)模式會(huì)導(dǎo)致體二極管中產(chǎn)生電荷累積。之后，積累的反向恢復(fù)電荷（Qrr）需要放電，這其中需要的時(shí)間在PWM控制實(shí)施過程中應(yīng)該考慮。而如果采用GaN進(jìn)行設(shè)計(jì)，則沒有這個(gè)問題，因?yàn)檫@些晶體管沒有固有的體二極管，因此也就沒有Qrr，這樣可以實(shí)現(xiàn)更高的總體效率、改進(jìn)的失真系數(shù)以及更清晰的開關(guān)波形。

 

放大器在零電壓開關(guān)模式下工作時(shí)，由于輸出的轉(zhuǎn)變是通過電感電流換向來實(shí)現(xiàn)，可有效消除開關(guān)中的開關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的功率損失。然而，與所有半橋設(shè)計(jì)一樣，需要考慮直通（shoot-through）問題，即高側(cè)和低側(cè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。通常可以插入一個(gè)稱為消隱時(shí)間（blanking time）的短延遲，以確保其中一個(gè)開關(guān)在導(dǎo)通之前另一個(gè)開關(guān)完全關(guān)斷。需要注意的是，該延遲會(huì)影響 PWM 信號(hào)，導(dǎo)致音頻輸出失真，因此設(shè)計(jì)中的一個(gè)目標(biāo)是盡可能縮短延遲，以維持音頻保真度。該延遲的長度取決于功率器件的輸出電容Coss。雖然GaN晶體管尚未完全消除Coss，但明顯低于Si MOSFET器件。因此，使用 GaN 時(shí)，其較短的消隱時(shí)間會(huì)導(dǎo)致更小的放大器失真。

 

盡管上面提到的改進(jìn)，這種電容中儲(chǔ)存的能量仍有待處理，在下一個(gè)導(dǎo)通周期中被消耗掉。但是這些損耗的影響在較高開關(guān)頻率下尤其明顯，因此基于 GaN 的設(shè)計(jì)比 Si放大器具有更高的效率。

 

如何實(shí)現(xiàn)GaN 的優(yōu)勢(shì)

 

GaN HEMT 晶體管與 Si MOSFET 命名其各個(gè)端子的方式完全相同，具有柵極、漏極和源極。借助于柵極和源極之間的二維電子氣體（2DEG），它們實(shí)現(xiàn)了極低電阻，由于提供有電子池，因此可有效地實(shí)現(xiàn)短路。當(dāng)不加?xùn)艠O偏壓（VGS = 0V）時(shí)，p-GaN柵極將停止導(dǎo)通。GaN HEMT 是雙向器件，這一點(diǎn)與硅器件不同。因此，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則可能會(huì)產(chǎn)生反向電流。GaN HEMT 晶體管具有潔凈的開關(guān)波形，這也是其優(yōu)勢(shì)所在，主要是沒有Si MOSFET中常見的體二極管（圖2）。這是與 PN 結(jié)相關(guān)的大量開關(guān)噪聲的原因。