GaN FET：发烧友的首选技术

从智能设备充电器等低功率、低成本应用一直到高功率汽车应用，氮化镓 FET 正成为许多产品的广泛首选。大多数情况下，设计人员对 GaN 提供的更高的效率和功率密度印象深刻，这导致器件具有比硅同类产品更大的功率能力。然而，高端音频放大器现在也越来越多地转向 GaN 技术，因为 GaN FET 的平滑开关特性导致注入放大器的可听噪声更少。

最近，包括Technics(松下)在内的大牌音频设备制造商都宣布了包含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，可以最小化设备尺寸。例如，最近的高端音频产品现在以 400 kHz 切换，而上一代放大器以 100 kHz 切换。

但对于发烧友来说，最终的目标是纯粹的声音。这意味着可能馈入放大器的任何可听噪声都应尽可能接近于零。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完全相反。

然而，GaN FET 的特征开关行为不同于硅器件。比较了上一代高端音频设备中使用的典型硅 MOSFET(蓝线)和 Nexperia 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，尽管 MOSFET 的性能非常适合这项任务，但在关断时存在高度振铃，并且 505 V 的峰值电压远高于 GaN 器件。GaN 部分更平滑，峰值仅为 420 V。

应该注意的是，硅和 GaN 器件并不完全可比，因为它们是不同的技术;然而，众所周知，使用 GaN FET 器件可以实现平滑切换，从而显着降低噪声——电气噪声和听觉噪声。工程师进行的一项分析表明，EMI 显着降低——在 170 kHz 时降低了 10 dB——主要是通过在 3 kW 电源设计中用 Nexperia GaN FET 替换硅 MOSFET 来实现的。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 开关比硅“更平滑”且振铃更少?在 Nexperia 的案例中，答案在于设备的设计。

GaN HEMT 作为具有自然“开启”状态的耗尽型 FET 运行。出于安全性和可接受性考虑，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，有两种方式可以实现自然“关闭”操作——单芯片增强模式(e-mode)或双芯片级联模式器件。e-mode p-GaN HEMT 的栅极结构使它们对栅极驱动电压非常敏感，并且它们的阈值电压非常低。它们也可能难以驾驶。出于这些原因，Nexperia 更喜欢堆叠芯片级联结构，该结构将低电压、低 R DS(on)MOSFET 与自然“开启”的 GaN HEMT 器件串联。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，有效地结合了 GaN HEMT 的自然“开启”工作状态的优势具有自然“关闭”设备的安全和操作优势。更好的是，级联器件可以由具有简单 0 至 10 或 12 V 驱动电压的标准、经济高效的栅极驱动器驱动。

出于我们讨论噪声的目的——对于高性能音频放大器来说都是可听的，对于电源示例来说是 EMI——级联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，硅器件充当滤波器，从而产生平滑的波形。这种电容匹配在 Nexperia 的一篇论文“ Reliability and Performance Related to Internal Avalanche of GaN Cascode Devices ”中进行了详细讨论，作者是 Transphorm 的 Yifeng Wu 和 Nexperia 的 Yan Lai。

开关电源具有出色的瞬时供电能力，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，它们传统上被认为是负面的，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，具有更平滑开关的 GaN 开关正在让音频设备制造商重新思考。一家领先制造商提供的真实数据，该制造商现在使用 GaN 开关，并将其最新产品的开关速度提高到 400 kHz——以前的硅基放大器仅限于 100 kHz。

在从 20 Hz 到 20 kHz 的整个可听频谱范围内，新型放大器(橙色线)中 GaN 电源产生的噪声远低于老一代产品(蓝色线)。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在低频下平坦的超低噪声特性。

概括

在 Nexperia 从最初推出具有 50 mΩ R DS(on)的 650-V 晶体管到目前额定 35 mΩ 的器件的三年中，很快就会提供 12-mΩ 的器件。此外，Nexperia 不久将提供采用 CCPAK1212 的 GaN 器件，这是一种专为 GaN 设计的高性能 SMD 封装。此类器件带来了明显的效率和功率优势，但其平滑的开关性能(针对效率进行了优化)也意味着它们也是低噪声应用的理想解决方案。