由Ilian Bonov，甘甘国际产品营销工程师，Nexperia
氮化镓(GaN) fet正广泛应用于许多产品，从低功耗、低成本的应用，如智能设备充电器，一直到大功率汽车应用。最重要的是，设计人员对GaN提供的更高的效率和功率密度印象深刻，这使得器件比硅器件具有更大的功率能力。然而，高端音频放大器现在也越来越多地转向氮化镓技术，因为氮化镓场效应管的平滑开关特性导致注入到放大器的可听到噪声更少。
最近，technologia(松下)等音响制造企业纷纷推出了含有GaN技术的新型音响设备。与同类器件相比，GaN fet的转换速度更快，效率更高，因此设备尺寸可以最小化。例如，最近的高端音频产品现在切换到400kHz，而上一代放大器切换到100kHz。
但对于听觉人员来说，最终目标是纯粹的声音。这意味着可以将任何可以馈送到放大器的可听噪声应尽可能接近零。通常，更高的开关频率导致更高级别的EMI和更高水平的可听噪声 - 与您试图实现的音频公司完全相同。
然而，GaN Fet的特征切换行为与硅装置不同。图1比较了先前一代高端音频设备中使用的典型硅MOSFET（蓝线）的开关波形以及Nexperia制造和销售在同一应用中的GaN FET设备（红线）。我们可以看到，尽管MOSFET的性能非常适合任务，但断开的高度振铃，并且505V的峰值电压远高于GaN设备。GaN部分更平滑，峰值仅为420V。
应该注意的是，硅和氮化镓器件并不是完全可以比较的，因为它们是不同的技术，然而，众所周知，氮化镓场效应晶体管器件可以实现平滑切换，从而显著降低噪声——电气和听觉。最近发表的一篇文章，“GaN晶体管消除了源电磁兼容”Büro Springett (Bodo’s Power Systems, 2021年1月)的独立顾问工程师Nigel Springett介绍了测量数据，显示在170kHz时EMI - 10dB显著降低，这主要是通过在3kW电源设计中使用Nexperia GAN FET取代硅MOSFET实现的。虽然这种设计的噪声频谱与可听到的频率非常不同，但其原理是相同的。
为什么GaN切换“更顺畅”，比硅更少的铃声？在Nexperia的情况下，答案在于设备的设计。
GaN Hemts作为耗尽模式FET运行，具有自然“在”状态。由于安全性和可接受性考虑，大多数工程师们更喜欢在交换应用中自然地“关闭”设备。目前有两种方法可以自然地“关闭”操作 - 单芯片增强模式（E-Mode）或两芯片共级码模式设备。电子模式P-GaN HEMT的栅极结构使它们对栅极驱动电压非常敏感，并且它们遭受非常低的阈值电压。它们也很难开车。由于这些原因，Nexperia更喜欢堆叠的模级码结构，该结构对低压，低rDS(上)这种结构提供了硅栅的坚固可靠的绝缘(介质)栅结构，加上改进的高压GaN HEMT的电压阻塞特性，将GaN HEMT的自然“开启”操作状态与自然“关闭”设备的安全性和操作优势有效地结合在一起。更好的是，级联码器件可以由标准的低成本栅极驱动器驱动，驱动电压为0-10或12v。
出于我们对噪声的讨论的目的 - 对于高性能音频放大器和电源示例的EMI都可以听到 - Cascode结构提供额外的优点。Nexperia与低压硅MOSFET和GaN HEMT的电容密切匹配，硅装置用作过滤器，导致波形平滑。该电容匹配在有权的Nexperia纸上详细讨论“与GaN Cascode设备内部雪崩相关的可靠性和性能”由伊峰吴晶际和延莱从内氏菌。
开关电源具有良好的瞬时供电能力，并能实现强大的声音，这都是适合高端音频应用的属性。然而，由于开关操作产生的噪声，传统上一直被认为是负面的。出于同样的原因，更高的切换速度也是一个问题。现在，具有平滑切换功能的GaN交换机正使音频设备制造商重新思考。图3是一家领先的制造商提供的真实数据的代表，该制造商目前正在使用GaN开关，并已将其最新产品的切换速度提高到400kHz -之前的硅基放大器限制在100kHz。
新放大器（橙色线）中的GaN电源产生的噪音比20Hz到20kHz的整个可听频谱上的较旧的旧产品（蓝线）的噪声相当小于。该公司采用宽带，低噪声参考电压发电电路和新设计中的控制电路。这确保了稳定的增益，实现了较低的低噪声特性，该特性平坦于低频。
总结
Nexperia的氮化镓产业化速度非常快。在积极销售GaN设备的3年时间里，Nexperia从最初推出带有“R”的650V晶体管开始，取得了长足的进步DS(上)从50mΩ，到目前的设备，这些设备被评为35mΩ，很短的时间内，12mΩ的部件将可用。此外，作为封装技术的领导者，Nexperia不久将提供基于CCPAK1212的GAN器件，CCPAK1212是一种为GAN设计的高性能SMD封装。这些器件在效率和功率方面带来了明显的好处，但它们平滑的开关性能——优化了效率——也意味着它们也是低噪声应用的理想解决方案。
读者可以在9月21日至23日的Nexperia在线Power Live活动上观看GaN FET技术的实际演示，并与专家交谈www.nexperia.com/power-live
