GaN器件在Class D上的应用优势

继第一代和第二代半导体技术之后发展起来的第三代宽禁带半导体材料和器件，是发展大功率、高频高温、抗强辐射和蓝光激光器等技术的关键核心。因为第三代半导体的优良特性，该半导体技术逐渐成为了近年来半导体研究领域的热点。

如图1所示，GaN材料作为第三代半导体材料的核心技术之一，具有禁带宽度高、击穿场强大、电子饱和速度高等优势。由GaN材料制成的GaN器件具有击穿电压高、开关速度快、寄生参数低等优良特性。GaN器件尤其在高频高功率的应用领域体现了其独特的优势，其中，针对GaN功率器件的性能特点，该器件可被用于适配器、DC-DC转换、无线充电、激光雷达等应用场合。

图1 半导体材料特性对比

传统的D类数字功放大多采用Si MOS管来充当D类放大器的主要开关管，由于Si材料本身的特性限制，针对Si器件Class D功放性能的提升较为困难，与此同时，更多基于GaN器件的Class D功放应用也正逐渐地被开发出来。GaN器件的低导通内阻、低寄生电容和高开关速度等特性，使得对应的Class D功放系统能够具有更高的效率，更高的功率密度，同时因为更少的反馈需求所带来的非线性失真度将更低，由此Class D功放的音质也将得到有效的提升。

针对目前主流的GaN Class D应用，三安集成推出了200V 20mΩ的低压GaN功率器件，同时采用自主设计的半桥电路测试平台对200V 20mΩ GaN EHEMT功率器件进行了性能测试。本文分享有关的测试结果。

三安集成设计的半桥电路测试平台主要用于200V DFN8×8封装分立GaN EHEMT器件的开环功率实验，可实现对器件的双脉冲测试、升压降压测试以及Class D半桥逆变测试，配套测试设备可实现对系统的效率监测以及GaN器件的温度监测。测试平台的电路原理图如图2所示，对应系统的实物图如图3所示，该测试平台的驱动IC为Si8274，利用驱动IC 内部的死区调节和驱动互补功能，能够将单一的PWM输入信号转换为两路具有死区且互补的栅极驱动波形，从而驱动GaN器件的导通和关断。

图2 GaN器件半桥电路测试平台原理图

图3 GaN器件半桥电路测试平台实物图

基于GaN器件的半桥电路测试平台，我们对三安集成的200V 20mΩ GaN EHEMT进行了相关测试。Class D功率电路的核心为逆变电路，而逆变拓扑实则为各种频率的脉冲调制波控制下的BUCK电路总和。因此，我们首先测试了GaN器件在BUCK工况下的性能。在测试板上输出端外加电感和输出滤波电容，驱动信号频率设置为384kHz，占空比为50%，死区时间为36ns时，输入电压为100V，输出电压对应为50V，在输出功率达100W的条件下，半桥BUCK工况波形如图4所示。由图可以看出，整体波形良好，Vds过冲电压最大值为136.7V，处于200V GaN器件的安全工作区内。

图4 100V-50V BUCK 100W工况波形

此外可以看到栅极的开关时间很短，其上升时间仅有13.1ns，下降时间仅有11.7ns，正是由于器件快速的开关动作，测试系统在384kHz的高频下产生的开关损耗能够得到有效的降低。如图5所示是在维持100W的输出功率下30min测得的器件热成像图（环境温度25℃），在GaN器件无外加散热措施的情况下，可以看到上管温度仅为73.4℃，下管仅为62.2℃，同时用功率分析仪去监测系统的效率，系统效率能够维持在95.7%。

图5 100V-50V BUCK 100W工况器件温度

在Class D的闭环系统应用中，开关波形导致的失真可以通过引入反馈来进行补偿，然而，反馈有延迟，并且大量的反馈将引入额外的非线性失真，因此，良好的开关波形是影响Class D音质效果的关键。如图6所示为GaN和MOS与理想开关波形的对比，对于同样的功率器件规格，GaN器件的上升时间、下降时间、死区时间和导通延迟时间更短，栅极过充震荡更小，此外也没有体二极管的反向恢复效应。综上，GaN器件的开关波形将更接近理论开关波形，更有助于Class D系统的性能提升。

图6 GaN和MOS与理想开关波形的对比

Class D应用中的关键拓扑是半桥逆变电路，通过半桥GaN器件的互补导通从而可以逆变输出对应的交流信号。为验证三安集成200V 20mΩ GaN EHEMT器件在逆变电路中的性能表现，我们利用图3的半桥电路测试平台配合外围电感电容等无源元件搭成了半桥逆变电路如图7所示，其中输出电感和电容取Class D功放的常用值为15uH和2.2uF，同时自制4ohms 200W的负载电阻。

图7 GaN Class D系统半桥逆变电路

测试时调制波频率设置在人耳可听到的音频范围20Hz-20kHz内，这里取为2kHz。当输出功率为100W时，记录系统的工作波形如图8所示，其中V-gsL~

为下管栅极波形，V-dsL-为下管漏源极波形，I-load-为4ohms负载电阻的电流波形，V-load-为对应的负载电压波形。通过测量可知，开关管的V-ds-最大过冲电压达131.1V，处于开关管的安全工作区内，通过系统的逆变操作，在输出电阻负载侧能够很好地得到输入信号的放大波形。

图8 GaN Class D系统半桥逆变电路波形

利用功率分析仪实测得到此逆变条件下系统效率约为93.3%。对测试结果进行分析可知，逆变条件下开关管的Ids电流有效值约为3.64A，而在前面同样输出功率下的直流DC转换100V-50V工况测试，器件电流的有效值为1.67A。逆变条件下更高的开关管电流有效值将导致功率器件更高的开关损耗和导通损耗，由此导致的器件工作温度将会更高于前者DC转换的73.4℃，加上输出电感电容的损耗，逆变工况下的效率将低于前者直流工况的测试。通过调研目前国际上有关的GaN竞品Class D demo功放的效率数据，可知在类似工况的测试条件下，竞品GaN demo效率在92%~93%。

三安集成200V 20mΩ GaN EHEMT器件的性能优势与Class D应用的良好结合，将推动GaN器件在Class D功放中的快速发展，迎来GaN Class D技术的创新时代。