[導讀]從智能設備充電器等低功率、低成本應用一直到高功率汽車應用，氮化鎵 FET 正成為許多產(chǎn)品的廣泛首選。大多數(shù)情況下，設計人員對 GaN 提供的更高的效率和功率密度印象深刻，這導致器件具有比硅同類產(chǎn)品更大的功率能力。然而，高端音頻放大器現(xiàn)在也越來越多地轉(zhuǎn)向 GaN 技術，因為 GaN FET 的平滑開關特性導致注入放大器的可聽噪聲更少。
從智能設備充電器等低功率、低成本應用一直到高功率汽車應用，氮化鎵 FET 正成為許多產(chǎn)品的廣泛首選。大多數(shù)情況下，設計人員對 GaN 提供的更高的效率和功率密度印象深刻，這導致器件具有比硅同類產(chǎn)品更大的功率能力。然而，高端音頻放大器現(xiàn)在也越來越多地轉(zhuǎn)向 GaN 技術，因為 GaN FET 的平滑開關特性導致注入放大器的可聽噪聲更少。
最近，包括Technics(松下)在內(nèi)的大牌音頻設備制造商都宣布了包含GaN技術的新音頻設備。GaN FET 的開關速度比同類產(chǎn)品更快，效率更高;因此，可以最小化設備尺寸。例如，最近的高端音頻產(chǎn)品現(xiàn)在以 400 kHz 切換，而上一代放大器以 100 kHz 切換。
但對于發(fā)燒友來說，最終的目標是純粹的聲音。這意味著可能饋入放大器的任何可聽噪聲都應盡可能接近于零。通常，更高的開關頻率會導致更高水平的EMI和更高水平的可聽噪聲——這與音頻公司試圖實現(xiàn)的目標完全相反。
然而，GaN FET 的特征開關行為不同于硅器件。比較了上一代高端音頻設備中使用的典型硅 MOSFET(藍線)和 Nexperia 在同一應用中制造和銷售的 GaN FET 器件(紅線)的開關波形。我們可以看到，盡管 MOSFET 的性能非常適合這項任務，但在關斷時存在高度振鈴，并且 505 V 的峰值電壓遠高于 GaN 器件。GaN 部分更平滑，峰值僅為 420 V。
應該注意的是，硅和 GaN 器件并不完全可比，因為它們是不同的技術;然而，眾所周知，使用 GaN FET 器件可以實現(xiàn)平滑切換，從而顯著降低噪聲——電氣噪聲和聽覺噪聲。工程師進行的一項分析表明，EMI 顯著降低——在 170 kHz 時降低了 10 dB——主要是通過在 3 kW 電源設計中用 Nexperia GaN FET 替換硅 MOSFET 來實現(xiàn)的。雖然該設計的噪聲頻譜與可聽頻率有很大不同，但原理是相同的。
為什么 GaN 開關比硅“更平滑”且振鈴更少?在 Nexperia 的案例中，答案在于設備的設計。
GaN HEMT 作為具有自然“開啟”狀態(tài)的耗盡型 FET 運行。出于安全性和可接受性考慮，大多數(shù)工程師更喜歡在開關應用中使用自然“關閉”的設備。目前，有兩種方式可以實現(xiàn)自然“關閉”操作——單芯片增強模式(e-mode)或雙芯片級聯(lián)模式器件。e-mode p-GaN HEMT 的柵極結構使它們對柵極驅(qū)動電壓非常敏感，并且它們的閾值電壓非常低。它們也可能難以駕駛。出于這些原因，Nexperia 更喜歡堆疊芯片級聯(lián)結構，該結構將低電壓、低 R DS(on)MOSFET 與自然“開啟”的 GaN HEMT 器件串聯(lián)。這種配置提供了堅固可靠的硅柵極絕緣(電介質(zhì))柵極結構，再加上高壓 GaN HEMT 改進的電壓阻斷特性，有效地結合了 GaN HEMT 的自然“開啟”工作狀態(tài)的優(yōu)勢具有自然“關閉”設備的安全和操作優(yōu)勢。更好的是，級聯(lián)器件可以由具有簡單 0 至 10 或 12 V 驅(qū)動電壓的標準、經(jīng)濟高效的柵極驅(qū)動器驅(qū)動。
出于我們討論噪聲的目的——對于高性能音頻放大器來說都是可聽的，對于電源示例來說是 EMI——級聯(lián)結構提供了額外的好處。Nexperia 與低壓硅 MOSFET 和 GaN HEMT 的電容緊密匹配，硅器件充當濾波器，從而產(chǎn)生平滑的波形。這種電容匹配在 Nexperia 的一篇論文“ Reliability and Performance Related to Internal Avalanche of GaN Cascode Devices ”中進行了詳細討論，作者是 Transphorm 的 Yifeng Wu 和 Nexperia 的 Yan Lai。
開關電源具有出色的瞬時供電能力，可以實現(xiàn)強勁的聲音，這都是適合高端音頻應用的屬性。然而，它們傳統(tǒng)上被認為是負面的，因為它們會因開關操作而產(chǎn)生噪聲。出于同樣的原因，更高的開關速度也是一個問題?，F(xiàn)在，具有更平滑開關的 GaN 開關正在讓音頻設備制造商重新思考。展示了一家領先制造商提供的真實數(shù)據(jù)，該制造商現(xiàn)在使用 GaN 開關，并將其最新產(chǎn)品的開關速度提高到 400 kHz——以前的硅基放大器僅限于 100 kHz。
在從 20 Hz 到 20 kHz 的整個可聽頻譜范圍內(nèi)，新型放大器(橙色線)中 GaN 電源產(chǎn)生的噪聲遠低于老一代產(chǎn)品(藍色線)。該公司在新設計中采用了寬帶、低噪聲參考電壓生成電路和控制電路。這確保了穩(wěn)定的增益并實現(xiàn)了在低頻下平坦的超低噪聲特性。
概括
在 Nexperia 從最初推出具有 50 mΩ R DS(on)的 650-V 晶體管到目前額定 35 mΩ 的器件的三年中，很快就會提供 12-mΩ 的器件。此外，Nexperia 不久將提供采用 CCPAK1212 的 GaN 器件，這是一種專為 GaN 設計的高性能 SMD 封裝。此類器件帶來了明顯的效率和功率優(yōu)勢，但其平滑的開關性能(針對效率進行了優(yōu)化)也意味著它們也是低噪聲應用的理想解決方案。
最近，包括Technics(松下)在內(nèi)的大牌音頻設備制造商都宣布了包含GaN技術的新音頻設備。GaN FET 的開關速度比同類產(chǎn)品更快，效率更高;因此，可以最小化設備尺寸。例如，最近的高端音頻產(chǎn)品現(xiàn)在以 400 kHz 切換，而上一代放大器以 100 kHz 切換。
但對于發(fā)燒友來說，最終的目標是純粹的聲音。這意味著可能饋入放大器的任何可聽噪聲都應盡可能接近于零。通常，更高的開關頻率會導致更高水平的EMI和更高水平的可聽噪聲——這與音頻公司試圖實現(xiàn)的目標完全相反。
然而，GaN FET 的特征開關行為不同于硅器件。比較了上一代高端音頻設備中使用的典型硅 MOSFET(藍線)和 Nexperia 在同一應用中制造和銷售的 GaN FET 器件(紅線)的開關波形。我們可以看到，盡管 MOSFET 的性能非常適合這項任務，但在關斷時存在高度振鈴，并且 505 V 的峰值電壓遠高于 GaN 器件。GaN 部分更平滑，峰值僅為 420 V。
應該注意的是，硅和 GaN 器件并不完全可比，因為它們是不同的技術;然而，眾所周知，使用 GaN FET 器件可以實現(xiàn)平滑切換，從而顯著降低噪聲——電氣噪聲和聽覺噪聲。工程師進行的一項分析表明，EMI 顯著降低——在 170 kHz 時降低了 10 dB——主要是通過在 3 kW 電源設計中用 Nexperia GaN FET 替換硅 MOSFET 來實現(xiàn)的。雖然該設計的噪聲頻譜與可聽頻率有很大不同，但原理是相同的。
為什么 GaN 開關比硅“更平滑”且振鈴更少?在 Nexperia 的案例中，答案在于設備的設計。
GaN HEMT 作為具有自然“開啟”狀態(tài)的耗盡型 FET 運行。出于安全性和可接受性考慮，大多數(shù)工程師更喜歡在開關應用中使用自然“關閉”的設備。目前，有兩種方式可以實現(xiàn)自然“關閉”操作——單芯片增強模式(e-mode)或雙芯片級聯(lián)模式器件。e-mode p-GaN HEMT 的柵極結構使它們對柵極驅(qū)動電壓非常敏感，并且它們的閾值電壓非常低。它們也可能難以駕駛。出于這些原因，Nexperia 更喜歡堆疊芯片級聯(lián)結構，該結構將低電壓、低 R DS(on)MOSFET 與自然“開啟”的 GaN HEMT 器件串聯(lián)。這種配置提供了堅固可靠的硅柵極絕緣(電介質(zhì))柵極結構，再加上高壓 GaN HEMT 改進的電壓阻斷特性，有效地結合了 GaN HEMT 的自然“開啟”工作狀態(tài)的優(yōu)勢具有自然“關閉”設備的安全和操作優(yōu)勢。更好的是，級聯(lián)器件可以由具有簡單 0 至 10 或 12 V 驅(qū)動電壓的標準、經(jīng)濟高效的柵極驅(qū)動器驅(qū)動。
出于我們討論噪聲的目的——對于高性能音頻放大器來說都是可聽的，對于電源示例來說是 EMI——級聯(lián)結構提供了額外的好處。Nexperia 與低壓硅 MOSFET 和 GaN HEMT 的電容緊密匹配，硅器件充當濾波器，從而產(chǎn)生平滑的波形。這種電容匹配在 Nexperia 的一篇論文“ Reliability and Performance Related to Internal Avalanche of GaN Cascode Devices ”中進行了詳細討論，作者是 Transphorm 的 Yifeng Wu 和 Nexperia 的 Yan Lai。
開關電源具有出色的瞬時供電能力，可以實現(xiàn)強勁的聲音，這都是適合高端音頻應用的屬性。然而，它們傳統(tǒng)上被認為是負面的，因為它們會因開關操作而產(chǎn)生噪聲。出于同樣的原因，更高的開關速度也是一個問題?，F(xiàn)在，具有更平滑開關的 GaN 開關正在讓音頻設備制造商重新思考。展示了一家領先制造商提供的真實數(shù)據(jù)，該制造商現(xiàn)在使用 GaN 開關，并將其最新產(chǎn)品的開關速度提高到 400 kHz——以前的硅基放大器僅限于 100 kHz。
在從 20 Hz 到 20 kHz 的整個可聽頻譜范圍內(nèi)，新型放大器(橙色線)中 GaN 電源產(chǎn)生的噪聲遠低于老一代產(chǎn)品(藍色線)。該公司在新設計中采用了寬帶、低噪聲參考電壓生成電路和控制電路。這確保了穩(wěn)定的增益并實現(xiàn)了在低頻下平坦的超低噪聲特性。
概括
在 Nexperia 從最初推出具有 50 mΩ R DS(on)的 650-V 晶體管到目前額定 35 mΩ 的器件的三年中，很快就會提供 12-mΩ 的器件。此外，Nexperia 不久將提供采用 CCPAK1212 的 GaN 器件，這是一種專為 GaN 設計的高性能 SMD 封裝。此類器件帶來了明顯的效率和功率優(yōu)勢，但其平滑的開關性能(針對效率進行了優(yōu)化)也意味著它們也是低噪聲應用的理想解決方案。
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