Tranzystory GaN we wzmacniaczach audio klasy D

Entuzjaści dźwięku o wysokiej jakości są ostatnimi beneficjentami szeregu zalet azotku galu (GaN), ponieważ zapewnił on audiofilom wytchnienie w ich poszukiwaniach wysokiej klasy dźwięku. Dylemat, co stanowi optymalną konfigurację dla domowego systemu audio, został rozwiązany przez elementy wykonane właśnie z tego materiału.

Podstawowe klasy wzmacniaczy, wykorzystywane w systemach audio, to A, AB oraz B. W tych klasach układy wykorzystują różny zakres obszary liniowego tranzystorów, aby wzmocnić sygnał audio z minimalnymi zniekształceniami. Wykazano, że takie konstrukcje mogą osiągnąć teoretyczną wydajność nawet, do 80%, ale w praktyce wynosi ona nie więcej niż 65%. Podejście liniowe przeszło już do historii, w dzisiejszym świecie smartfonów z zasilaniem bateryjnym, telefonów wykorzystujących technologie cyfrową do bezprzewodowego transferowania dźwięku, np. do głośników Bluetooth, ponieważ ma ono ogromny wpływ na żywotność baterii. Podobnie jak w większości innych segmentów przemysłu elektronicznego, audiofile odkryli, że zastosowanie metod impulsowych daje wyższą sprawność, niż podejście liniowe, bez pogarszania jakości dźwięku.

Dla tych, którzy dla tych, którzy nada trzymają się klasycznych klas topologii wzmacniaczy, wymagania skupiają się głównie na dokładnej reprodukcji dźwięku, bez względu na sprawność elektryczną danego rozwiązania. Chociaż jest to całkowicie uzasadnione w warunkach domowych, wiele zastosowań wymaga o wiele wyższej sprawności od wzmacniacza. Może to mieć na celu oszczędzanie energii czy wydłużenie żywotności baterii lub też zmniejszenie rozpraszania ciepła, co pozwala uzyskać bardziej kompaktowy i mniejszy produkt.

Zaproponowany w latach pięćdziesiątych wzmacniacz klasy D wykorzystywał parę urządzeń przełączających w konfiguracji push/pull (patrz rysunek 1). Sygnał prostokątny o modulowanej szerokości impulsu (PWM), którego cykl pracy jest kontrolowany przez przychodzący sygnał audio, steruje kluczami w końcówce mocy w ten sposób, że są one tylko całkowicie włączone lub wyłączone, utrzymując działanie w ich obszarach liniowych na minimalnym poziomie. Zapewnia to teoretyczną sprawność równą 100% i możliwość pracy przy zerowych zniekształceniach wyjściowych.

Problemem były wtedy tranzystory – jedyne dostępne wtedy elementy germanowe - nie były odpowiednie do tego rodzaju zastosowań, w wyniku czego wczesne konstrukcje wzmacniaczy impulsowych miały niską sprawność. Jednakże pojawienie się technologii MOSFET sprawiło, że projekty klasy D zaczęły działać zgodnie z oczekiwaniami. Obecnie wzmacniacz klasy D stosowane są szeroko, z uwagi na swoją wysoką sprawność elektryczną. Sprawdza się również tam, gdzie kompaktowość jest wymogiem konstrukcyjnym, na przykład w dzisiejszych telewizorach z płaskim ekranem czy samochodowych systemach audio, ponieważ często nie ma potrzeby stosowania nieporęcznego radiatora wraz z układami GaN.

Tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) oparte na GaN zapewniają nową technologię do stosowania jako przełączniki w konstrukcjach klasy D, a wraz z nimi dalszą wydajność i poprawę jakości dźwięku.

Dopasowany do potrzeb wzmacniacza klasy D.

Teoretycznie wysoka wydajność urządzeń przełączających klasy D musi wynikać z niskiej rezystancji kanału w stanie włączonym, aby zminimalizować straty I²R. GaN oferuje znacznie niższą rezystancję włączonego kanału niż w krzemowych MOSFETach, przy jednocześnie mniejszej powierzchni struktury krzemowej. To z kolei przekłada się na wielkość samych układów, co pozwala na tworzenie bardziej kompaktowych wzmacniaczy.

Straty podczas przełączania to kolejny czynnik, który wymaga uwagi w układach klasy D. Przy średnich i wysokich poziomach mocy wyjściowej wzmacniacze klasy D działają wyjątkowo wydajnie. Ale przy najniższych mocach wyjściowych sprawność okazuje się niska ze względu na straty w układach mocy.

Aby sprostać temu wyzwaniu, niektóre podejścia do wzmacniaczy klasy D wykorzystują dwa tryby pracy. Taka wielopoziomowa technika ogranicza napięcie wyjściowe, które podawane jest z zasilacza, gdy odtwarzany jest dźwięk o niskiej głośności. Gdy głośność wyjściowa osiągnie wstępnie zdefiniowany próg, szyny napięcia klucza wyjściowego są zwiększane, dzięki czemu dostępna jest pełna amplituda napięcia. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć wpływ strat przełączania, technikę przełączania kluczy prze zerowym napięciu (ZVS) można stosować przy małych głośnościach wyjściowych, zmieniając się na przełączanie twarde przy wysokich poziomach mocy wyjściowej.

Po wdrożeniu, przy użyciu krzemowych MOSFET, trybu twardego przełączania obserwować można gromadzenie się ładunku we wbudowanej diodzie tranzystora polowego z powodu niezerowego napięcia na wyjściu, gdy urządzenie zasilające jest wyłączone i włączone. Powstający wówczas ładunek (Qrr) musi zostać rozładowany, a czas, który to zajmuje, należy uwzględnić w implementacji sterowania PWM. W projektach wykorzystujących tranzystory GaN nie stanowi to problemu, ponieważ tranzystory te nie mają wbudowanej diody, a zatem ładunek Qrr jest zerowy. Wynikiem tego jest ogólnie wyższa sprawność, redukcja zniekształceń i czystsze przebiegi wyjściowe z układu impulsowego.

Straty podczas przełączania i wynikająca z tego utrata mocy w kluczach, są skutecznie eliminowane, gdy wzmacniacz pracuje w trybie ZVS, ponieważ przejście na wyjściu uzyskuje się poprzez komutację prądu cewki indukcyjnej. Jednak, jak to ma miejsce we wszystkich konstrukcjach półmostkowych, kwestia przebicia, czyli momentu, w którym zarówno przełączniki strony górnej, jak i dolnej są symultanicznie włączony, jest istotna i należy to uwzględnić podczas projektowania systemu. Krótkie opóźnienie, znane, jako czas martwy, jest zwykle wstawiane, aby zapewnić całkowite wyłączenie jednego z kluczy przełączających przed załączeniem drugiego. Należy zauważyć, że opóźnienie to wpływa na sygnał PWM, powodując zniekształcenia na wyjściu, więc najlepiej jest, aby było jak najkrótsze, aby zachować wysoką jakość dźwięku. Długość tego opóźnienia zależy od pojemności wyjściowej urządzenia mocy, Coss. Chociaż tranzystory GaN nie wyeliminowały całkowicie pojemności Coss, jest ona znacznie niższa niż w urządzeniach krzemowych. W rezultacie wymagamy jest krótszy czas martwy, co skutkuje we wzmacniaczach mniejszymi zniekształceniami podczas korzystania z elementów GaN.

Pomimo redukcji pojemności wyjściowej, energia zmagazynowana w niej nadal wymaga rozproszenia, w następnym cyklu włączania danego klucza wzmacniacza. Ale ponieważ wpływ tych strat jest szczególnie zauważalny przy wyższych częstotliwościach przełączania, konstrukcje oparte na GaN wykazują wyższą wydajność niż wzmacniacze wykorzystujące tranzystory krzemowe.

Korzyści wykorzystania tranzystorów GaN

Tranzystory GaN HEMT nazywają swoje piny w taki sam sposób, jak MOSFET wykonane z krzemu, z bramką, drenem i źródłem. Ich bardzo niską rezystancję uzyskuje się dzięki dwuwymiarowemu gazowi elektronowemu (2DEG) występującemu pomiędzy bramką a źródłem, skutecznie wywołując zwarcie kanału, dzięki dostarczonej puli elektronów. Gdy nie jest stosowane odchylenie poprzez napięcie bramki (VGS = 0 V), bramka p-GaN zatrzymuje przewodzenie. W przeciwieństwie do swoich krzemowych odpowiedników, elementy z azotku galu są urządzeniami dwukierunkowymi. W rezultacie prąd może płynąć przez taki układ wstecz tj. nawet, jeśli napięcie drenu spadnie poniżej napięcia źródła. Dodatkowo, ich przełączanie generuje o wiele mniej zakłóceń, co spowodowane jest brakiem wbudowanej diody, jaka występuje w tranzystorach MOSFET wykonanych z krzemu (patrz rysunek 2). Jest to przyczyną wielu szumów przełączania związanych ze złączami PN.



Stworzono projekty wzmacniaczy klasy D, które mogą dostarczyć 160 W do obciążenia o impedancji 8 Ω bez potrzeby stosowania jakiegokolwiek radiatora dla elementów mocy. Jeden z takich prototypów wykorzystuje elementy IGT40R070D1 E8220 wraz z IRS20957S - scalonym sterownikiem dla tranzystorów klasy D o napięciu pracy do 200 V (rysunek 4). Ten konkretny klucz oferuje RDS(on) nie większe niż zaledwie 70 mΩ. W przypadku użycia elementu z radiatorem wzmacniacz może zapewniać do 250 W mocy wyjściowej, przy bardzo przyzwoitym poziomie zniekształceń – THD+N równy jest 0,008% przy mocy wyjściowej równej 100 W.

Zmiana z ZVS na przełączanie twarde może skutkować zwiększeniem THD + N. Jednakże wspomniany projekt, pracujący z częstotliwością kluczowania tranzystorów równą 500 kHz, nie wykazuje zauważalnej zmiany poziomu zniekształceń, po przejściu do obszaru twardego przełączania.



Podsumowanie

Krzemowe MOSFETy przez lata zapewniały projektantom wzmacniaczy klasy D wysokie parametry, dzięki ciągłemu postępowi w optymalizacji wydajności. Jednak dalszy postęp w ich rozwoju jest trudny do osiągnięcia. Dodatkowo, ponieważ zmniejszenie RDS(on) powoduje zwiększenie rozmiarów struktur krzemowych, utrudnia to budowanie kompaktowych konstrukcji wzmacniaczy audio. GaN HEMT przełamują to ograniczenie, jednocześnie eliminując problemy z Qrr. To, w połączeniu z ich redukcją Coss i zdolnością do pracy przy wyższych częstotliwościach przełączania, oznacza, że można tworzyć małe objętościowo, kompaktowe konstrukcje, często bez uciekania się do wykorzystania radiatora. Pomiary THD+N wskazują również, że układy takie oferują wysokiej klasy dźwięk, zdolny zadowolić nawet najbardziej wymagających odbiorców.

Źródło: https://www.eeweb.com/gan-improves-class-d-amplifiers/