GaN FET 如何成为音响发烧友的首选技术

　　高端音频放大器现在也越来越多地转向 GaN 技术，因为 GaN FET 的平滑开关特性可减少注入放大器的可听噪声。近期，包括Technics（松下）在内的音频设备制造商均发布了采用GaN技术的新音频设备。GaN FET 的开关速度比同类产品更快，效率更高，因此可以限度地减小设备尺寸。例如，的高端音频产品现在的开关频率为 400kHz，而上一代放大器的开关频率为 100kHz。

　　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。

　　图 1. 标准工业 MOSFET（蓝色迹线）和 Nexperia 650V、35mΩ GaN FET（红色迹线）的开关波形。图片由Bodo's Power Systems提供
　　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 晶体管从源头上消除了 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。

　　图 2.Nexperia 的共源共栅 GaN FET 配置坚固耐用且易于驱动。图片由Bodo's Power Systems提供
　　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，硅器件起到滤波器的作用，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。

　　开关电源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。

　　图 3.上一代硅供电音频设备（蓝色）与新型 GaN 供电产品（红色）的可闻噪声比较。图片由Bodo's Power Systems提供
　　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