GaN implementation of an high-power class D audio amplifier

The power electronics world is quickly developing through the miniaturization process and the power efficiency improving, but the silicon-based technology has almost reached the limit of its maximum performance capability. Class D amplifiers, in particular, are a great example of this development, being based on high-frequency switching mechanism. In this Thesis, starting from the DR1000 (R.C.F.) amplifier analysis and characterization, general issues of self-oscillating audio power amplifiers are been investigated and a new version of the amplification circuit (GaN AMP) with devices based on GaN technology has been proposed. The characterization of the new GaN AMP has been carried out and the experimental tests got proof of the improvement of thermal issue and efficiency that was expected. Nevertheless, the first prototype was too susceptible to the external disturbs to compete in a fair comparison with nominal power of DR1000. This problem can be solved with a more careful circuit layout design, and starting from this Thesis it wold be possible to continue the developing of GaN devices in audio power applications.

Il mondo dell'elettronica di potenza sta evolvendo a gran velocità: la continua ricerca per la miniaturizzazione e per ottenere un incremento dell'efficienza in potenza sta forzando i limiti, oramai pressoché raggiunti, della tecnologia basata sul silicio. In particolare, gli amplificatori audio in classe D, che fondano il loro funzionamento sul meccanismo di switching ad alta frequenza, sono esempio di questa evoluzione. In questo lavoro di Tesi, partendo dall'analisi e dalla caratterizzazione sperimentale dell'amplificatore extit{High power} di R.C.F. spa, il DR1000, si sono indagate le problematiche generali degli amplificatori auto-oscillanti in classe D, ed è stata proposta una nuova implementazione del circuito di amplificazione, GaN AMP, sfruttando la tecnologia basata su dispositivi in nitruro di gallio (GaN). Si è proceduto poi alla caratterizzazione del GaN AMP: come era stato ipotizzato, i test sperimentali hanno dato prova del netto miglioramento in termini di rendimento e gestione termica. Il primo prototipo, ottenuto nei limiti temporali dello stage presso R.C.F., è risultato tuttavia ancora troppo sensibile ai disturbi esterni per poter essere confrontato alle potenze di lavoro tipiche dell'amplificatore DR1000; questo problema può essere risolto con un ulteriore raffinamento del layout del circuito, e, a partire da questo progetto, sarà possibile proseguire nella implementazione di dispositivi audio basati sulla tecnologia GaN.