一種帶上電時序控制及過脈寬保護功能的大功率調(diào)制電路研究

蘇 璞 ,鄭敏嬌 ,王宇明 ,羅維玲 ,楊 陽

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.國防科技大學 信息通信學院試驗訓練基地，西安 710000)

0 引言

隨著星載雷達發(fā)射機需求的不斷增長，以及固態(tài)器件日益更新?lián)Q代，對脈沖固態(tài)功率放大器(solid-state power amplifier,SSPA)的研究成為一項重要內(nèi)容[1]。星用固態(tài)功率器件開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器件開關(guān)速度比GaAs器件高近10倍。這些變化均對功率器件大功率脈沖調(diào)制電路帶來諸多變化。

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序控制及過脈寬保護功能的大功率調(diào)制電路，包括上電時序控制電路、過脈寬保護電路、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500KHz，峰值工作電流超過20A。提出了理論設計方法，進行了仿真及實測驗證，同時增加了時序控制、過脈寬保護等功能，提高了固放產(chǎn)品的可靠性。

1 大功率調(diào)制電路設計

1.1 原理設計

大功率調(diào)制電路實現(xiàn)漏極電流的迅速開通與關(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。當功率器件漏極工作電壓低于28V時，往往采用封裝器件實現(xiàn)調(diào)制功能。而當功率器件工作電壓在50V時，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)制電路包括上電時序控制電路、過脈寬保護電路、大功率調(diào)制電路3部分電路，其電路實現(xiàn)原理如圖 1所示[4]。

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

1.2 上電時序控制電路設計

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

輸入的負壓Vneg經(jīng)過運算放大器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，當電壓Vo低于該閾值電壓Vref時，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TTL相遇后，TTL信號輸出為低電平0V，漏極電壓無輸出[7-8]。

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

1.3 過脈寬保護電路設計

過脈寬保護電路如圖 3所示，當輸入脈沖寬度大于設計脈沖寬度時，脈沖寬度自動截止，有效保護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信號一路經(jīng)過RC電路延時后輸出，其設計脈沖寬度由時間常數(shù)τ決定，該時間常數(shù)τ由式(2)計算得到。該路輸出信號與實際TTL相與非后輸出實際TTL控制信號，該信號進一步控制大功率調(diào)制電路。

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圖3 過脈寬保護電路圖Fig.3 Schematic of over pulse width protection mode

1.4 大功率調(diào)制電路設計

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100V，工作重頻最高可達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、非門轉(zhuǎn)換電路、死區(qū)時間設置電路、MOS管驅(qū)動電路、MOS管橋壁組成。非門轉(zhuǎn)換電路將TTL電平相位翻轉(zhuǎn)180度[9]；死區(qū)設置時間電路設置脈沖前后沿的死區(qū)時間；MOS管驅(qū)動接收TTL信號后驅(qū)動MOS管；MOS管橋壁為MOS管半橋橋壁，其對連續(xù)波電壓進行脈沖切換，實現(xiàn)脈沖輸出[10-11]。

具體電路如圖 5所示，MOS管驅(qū)動電路依靠IR2110器件D7實現(xiàn)，該器件D7輸出的LO輸出與HO輸出反相，T1導通時T2關(guān)斷，T1關(guān)斷時T2開啟。TTL信號后沿到來時，LO輸出高電平，使T2導通，Vs電位拉低，即HO電位拉低。因T1柵源結(jié)電容無需放電，柵極電壓已低于源極電壓，所以T1會迅速關(guān)斷，即Vout后沿無拖尾[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管型號為BUY25CS54，其導通電阻為30mΩ。MOS管的導通電阻非常小，所以橋壁的MOS管需要設置死區(qū)時間， 防止MOS管橋壁直通，如果橋壁直通，其電流高達百安培級，實際由于存在導線電阻及引線電感，電流會小于理論計算值，但也高達百安電流，導致電源控制芯片電流異常，芯片供電過流保護電源關(guān)機。

死區(qū)電路主要依靠選取合適電路參數(shù)實現(xiàn)[13]，計算公式如式(3)、式(4)。通過優(yōu)化參數(shù)，得到合適的死區(qū)時間。

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調(diào)制電路與功率器件應盡可能縮短互聯(lián)距離，加寬導線?；ヂ?lián)導線可等效為電感，由式(5)可知，電感量越大，電壓隨電流的變化量越大。當射頻關(guān)閉時，瞬態(tài)電流仍然很大，會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。實際電路中調(diào)制電路與功率器件距離小于10mm。實測調(diào)制過沖電壓波形，該過沖電壓小于55V，如圖 6所示，滿足功率器件設計要求。

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

2 測試結(jié)果

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

圖7 實際測試調(diào)制電路板Fig.7 Schematic of over pulse width protection mode

圖8 實際測試輸出調(diào)制波形Fig.8 Measured output modulated voltage

同時，圖 9對死區(qū)時間進行了仿真與實測比對，產(chǎn)品實測上管、下管后沿調(diào)制波形，死區(qū)時間大于1us，能夠保證橋壁MOS管無直通風險。

圖9 死區(qū)時間仿真(PSPICE仿真軟件)與實測比對Fig.9 The simulated and measured dead time

3 結(jié)論

本文設計的一種帶上電時序控制及過脈寬保護功能的大功率脈沖調(diào)制電路，對GaN功率管漏極進行脈沖調(diào)制，包括上電時序控制電路、過脈寬保護電路、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，同時提供時序控制、過脈寬保護等功能。經(jīng)過測試驗證，調(diào)制電壓最高100V，調(diào)制頻率最高可達500KHz，峰值工作電流超過20A，上升沿、下降沿小于30ns。目前該電路已應用于某衛(wèi)星大功率固放產(chǎn)品，經(jīng)過300小時溫循試驗，1200小時長壽命試驗。工作穩(wěn)定，性能良好，滿足宇航應用需求。