蘇 璞 ,鄭敏嬌 ,王宇明 ,羅維玲 ,楊 陽(yáng)

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.國(guó)防科技大學(xué) 信息通信學(xué)院試驗(yàn)訓(xùn)練基地，西安 710000)

0 引言

隨著星載雷達(dá)發(fā)射機(jī)需求的不斷增長(zhǎng)，以及固態(tài)器件日益更新?lián)Q代，對(duì)脈沖固態(tài)功率放大器(solid-state power amplifier,SSPA)的研究成為一項(xiàng)重要內(nèi)容[1]。星用固態(tài)功率器件開(kāi)始由第二代砷化鎵逐漸向第三代氮化鎵發(fā)展，其漏極工作電壓也逐步由GaAs(20GHz以下)的10V提升到GaN器件的28V，50V，工作電流也隨著輸出功率的提升而迅速提升，尤其是GaN器件開(kāi)關(guān)速度比GaAs器件高近10倍。這些變化均對(duì)功率器件大功率脈沖調(diào)制電路帶來(lái)諸多變化。

大功率脈沖調(diào)制電路位于脈沖固態(tài)功率放大器功率器件漏極供電端，根據(jù)系統(tǒng)所需脈沖寬度及重頻將連續(xù)電壓信號(hào)調(diào)制為脈沖工作電壓，供功率器件工作放大[2-3]。

本文完成一種帶上電時(shí)序控制及過(guò)脈寬保護(hù)功能的大功率調(diào)制電路，包括上電時(shí)序控制電路、過(guò)脈寬保護(hù)電路、大功率調(diào)制電路。該電路調(diào)制電壓高，上升下降沿速度快，調(diào)制頻率最高可達(dá)500KHz，峰值工作電流超過(guò)20A。提出了理論設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了仿真及實(shí)測(cè)驗(yàn)證，同時(shí)增加了時(shí)序控制、過(guò)脈寬保護(hù)等功能，提高了固放產(chǎn)品的可靠性。

1 大功率調(diào)制電路設(shè)計(jì)

1.1 原理設(shè)計(jì)

大功率調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)漏極電流的迅速開(kāi)通與關(guān)斷，大大減少了GaN功率器件的功耗，提高了效率，降低了器件熱耗，降低了整機(jī)散熱的需求。此外，該電路需保證固放安全工作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)功率器件漏極工作電壓低于28V時(shí)，往往采用封裝器件實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。而當(dāng)功率器件工作電壓在50V時(shí)，只能采取分離器件搭建。本文涉及大功率漏極調(diào)制電路需要輸出48V電壓脈沖，能迅速開(kāi)通與關(guān)斷大于20A的工作電流。大功率脈沖調(diào)制電路包括上電時(shí)序控制電路、過(guò)脈寬保護(hù)電路、大功率調(diào)制電路3部分電路，其電路實(shí)現(xiàn)原理如圖 1所示[4]。

圖1 帶上電時(shí)序控制及過(guò)脈寬保護(hù)功能的大功率調(diào)制電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Schematic & profiles of the power pulse modulation circuit

1.2 上電時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)

為了使固放安全工作，必須保證先加負(fù)電、后加正電的加電時(shí)序和先下正電、后斷負(fù)電的關(guān)電時(shí)序。上電時(shí)序控制電路如圖 2所示，主要實(shí)現(xiàn)功能為無(wú)負(fù)電輸入或負(fù)電低于閾值電壓時(shí)[5-6]，正壓無(wú)輸出，確保功率器件上電安全。

輸入的負(fù)壓Vneg經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器D3放大后變?yōu)檎龎?，如?1)所列。該電壓Vo與二極管D1提供的閾值電壓Vref相比較，Vref為4V，當(dāng)電壓Vo低于該閾值電壓Vref時(shí)，比較器D4輸出真值VEN由高電平5V變?yōu)榈碗娖?V，與脈沖控制信號(hào)TTL相遇后，TTL信號(hào)輸出為低電平0V，漏極電壓無(wú)輸出[7-8]。

(1)

圖2 上電時(shí)序控制電路圖Fig.2 Schematic of sequence control mode

1.3 過(guò)脈寬保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過(guò)脈寬保護(hù)電路如圖 3所示，當(dāng)輸入脈沖寬度大于設(shè)計(jì)脈沖寬度時(shí)，脈沖寬度自動(dòng)截止，有效保護(hù)了功率器件的占空比，提高了產(chǎn)品的可靠性。其具體工作原理如圖3所示。

輸入的TTL信號(hào)一路經(jīng)過(guò)RC電路延時(shí)后輸出，其設(shè)計(jì)脈沖寬度由時(shí)間常數(shù)τ決定，該時(shí)間常數(shù)τ由式(2)計(jì)算得到。該路輸出信號(hào)與實(shí)際TTL相與非后輸出實(shí)際TTL控制信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)一步控制大功率調(diào)制電路。

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圖3 過(guò)脈寬保護(hù)電路圖Fig.3 Schematic of over pulse width protection mode

1.4 大功率調(diào)制電路設(shè)計(jì)

大功率調(diào)制電路原理框圖如圖 4所示，與傳統(tǒng)電路相比，該電路調(diào)制電壓超過(guò)100V，工作重頻最高可達(dá)500KHz，上升下降沿小于50ns，峰值工作電流大于20A。大功率調(diào)制電路由TTL轉(zhuǎn)換電路、非門(mén)轉(zhuǎn)換電路、死區(qū)時(shí)間設(shè)置電路、MOS管驅(qū)動(dòng)電路、MOS管橋壁組成。非門(mén)轉(zhuǎn)換電路將TTL電平相位翻轉(zhuǎn)180度[9]；死區(qū)設(shè)置時(shí)間電路設(shè)置脈沖前后沿的死區(qū)時(shí)間；MOS管驅(qū)動(dòng)接收TTL信號(hào)后驅(qū)動(dòng)MOS管；MOS管橋壁為MOS管半橋橋壁，其對(duì)連續(xù)波電壓進(jìn)行脈沖切換，實(shí)現(xiàn)脈沖輸出[10-11]。

具體電路如圖 5所示，MOS管驅(qū)動(dòng)電路依靠IR2110器件D7實(shí)現(xiàn)，該器件D7輸出的LO輸出與HO輸出反相，T1導(dǎo)通時(shí)T2關(guān)斷，T1關(guān)斷時(shí)T2開(kāi)啟。TTL信號(hào)后沿到來(lái)時(shí)，LO輸出高電平，使T2導(dǎo)通，Vs電位拉低，即HO電位拉低。因T1柵源結(jié)電容無(wú)需放電，柵極電壓已低于源極電壓，所以T1會(huì)迅速關(guān)斷，即Vout后沿?zé)o拖尾[12]。

圖4 大功率調(diào)制電路原理框圖Fig.4 Profiles of power pulse modulation circuit

圖5 大功率調(diào)制電路圖Fig.5 Schematic of power pulse modulation circuit

選擇的MOS管型號(hào)為BUY25CS54，其導(dǎo)通電阻為30mΩ。MOS管的導(dǎo)通電阻非常小，所以橋壁的MOS管需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間， 防止MOS管橋壁直通，如果橋壁直通，其電流高達(dá)百安培級(jí)，實(shí)際由于存在導(dǎo)線(xiàn)電阻及引線(xiàn)電感，電流會(huì)小于理論計(jì)算值，但也高達(dá)百安電流，導(dǎo)致電源控制芯片電流異常，芯片供電過(guò)流保護(hù)電源關(guān)機(jī)。

死區(qū)電路主要依靠選取合適電路參數(shù)實(shí)現(xiàn)[13]，計(jì)算公式如式(3)、式(4)。通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，得到合適的死區(qū)時(shí)間。

(3)

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調(diào)制電路與功率器件應(yīng)盡可能縮短互聯(lián)距離，加寬導(dǎo)線(xiàn)?；ヂ?lián)導(dǎo)線(xiàn)可等效為電感，由式(5)可知，電感量越大，電壓隨電流的變化量越大。當(dāng)射頻關(guān)閉時(shí)，瞬態(tài)電流仍然很大，會(huì)與電路中寄生的電感L、電容C、以及電阻R產(chǎn)生諧振，電壓拉高。實(shí)際電路中調(diào)制電路與功率器件距離小于10mm。實(shí)測(cè)調(diào)制過(guò)沖電壓波形，該過(guò)沖電壓小于55V，如圖 6所示，滿(mǎn)足功率器件設(shè)計(jì)要求。

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圖6 脈沖調(diào)制過(guò)沖電壓Fig.6 pulse modulated over shoot voltage

2 測(cè)試結(jié)果

實(shí)際測(cè)試調(diào)制電路板如圖 7所示，其輸出脈沖波形如圖8所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，調(diào)制電壓最高100V，調(diào)制頻率最高可達(dá)500KHz，峰值工作電流超過(guò)20A，上升沿、下降沿小于30ns。

圖7 實(shí)際測(cè)試調(diào)制電路板Fig.7 Schematic of over pulse width protection mode

圖8 實(shí)際測(cè)試輸出調(diào)制波形Fig.8 Measured output modulated voltage

同時(shí)，圖 9對(duì)死區(qū)時(shí)間進(jìn)行了仿真與實(shí)測(cè)比對(duì)，產(chǎn)品實(shí)測(cè)上管、下管后沿調(diào)制波形，死區(qū)時(shí)間大于1us，能夠保證橋壁MOS管無(wú)直通風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 死區(qū)時(shí)間仿真(PSPICE仿真軟件)與實(shí)測(cè)比對(duì)Fig.9 The simulated and measured dead time

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一種帶上電時(shí)序控制及過(guò)脈寬保護(hù)功能的大功率脈沖調(diào)制電路，對(duì)GaN功率管漏極進(jìn)行脈沖調(diào)制，包括上電時(shí)序控制電路、過(guò)脈寬保護(hù)電路、大功率調(diào)制電路。該電路調(diào)制電壓高，上升下降沿速度快等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提供時(shí)序控制、過(guò)脈寬保護(hù)等功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，調(diào)制電壓最高100V，調(diào)制頻率最高可達(dá)500KHz，峰值工作電流超過(guò)20A，上升沿、下降沿小于30ns。目前該電路已應(yīng)用于某衛(wèi)星大功率固放產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)300小時(shí)溫循試驗(yàn)，1200小時(shí)長(zhǎng)壽命試驗(yàn)。工作穩(wěn)定，性能良好，滿(mǎn)足宇航應(yīng)用需求。