在脈沖雷達應(yīng)用中，從發(fā)射到接收操作的過渡期間需要快速開啟/關(guān)閉高功率放大器 (HPA)。典型的轉(zhuǎn)換時間目標可能小于1 s。傳統(tǒng)上，這是通過漏極控制來實現(xiàn)的。漏極控制需要在28 V至50 V的電壓下切換大電流。已知開關(guān)功率技術(shù)可以勝任這一任務(wù)，但會涉及額外的物理尺寸和電路問題。在現(xiàn)代相控陣天線開發(fā)中，雖然要求盡可能低的SWaP(尺寸重量和功耗)，但希望消除與HPA漏極開關(guān)相關(guān)的復(fù)雜問題。
本文提出了一種獨特但簡單的柵極脈沖驅(qū)動電路，為快速開關(guān)HPA提供了另一種方法，同時消除了與漏極開關(guān)有關(guān)的電路。實測切換時間小于200 ns，相對于1 s的目標還有一些裕量。其他特性包括：解決器件間差異的偏置編程能力，保護HPA免受柵極電壓增加影響的柵極箝位，以及用于優(yōu)化脈沖上升時間的過沖補償。
典型漏極脈沖配置
通過漏極控制開關(guān)HPA的典型配置如圖1所示。一個串聯(lián)FET開啟輸入HPA的高電壓?？刂齐娐沸枰獙⑦壿嬰娖矫}沖轉(zhuǎn)換為更高電壓以使串聯(lián)FET導(dǎo)通。
此配置的難點包括：
●大電流的切換要求從大容量電容到HPA漏極引腳的路徑是一條低電感路徑。
●關(guān)閉時，漏極電容保有電荷，需要額外的放電路徑。這是通過額外的FET Q2來實現(xiàn)的，對控制電路的約束隨之增加：Q1和Q2絕不能同時使能。
●很多情況下，串聯(lián)FET是N溝道器件。這要求控制電路產(chǎn)生一個高于HPA漏極電壓的電壓才能開啟。
控制電路的設(shè)計方法已是眾所周知且行之有效。然而，相控陣系統(tǒng)不斷期望集成封裝并降低SWaP，因此希望消除上述難點。實際上，人們的愿望是完全消除漏極控制電路。
一、柵極脈沖供電方式的原理
柵極脈沖供電方式是一種新型的功率放大器供電方式。在這種方式中，柵級直流電壓進行開關(guān)控制電路轉(zhuǎn)變成脈沖電壓后再加在放大器柵極。通過對柵極電壓的開與斷，使放大器的工作狀態(tài)在導(dǎo)通與關(guān)斷之間進行周期性的切換。當柵壓值為典型靜態(tài)工作點電壓時，放大器工作;當柵級電壓為夾斷電壓時，放大器關(guān)閉。柵極脈沖供電方式控制的是電壓，因此可以實現(xiàn)高效的功率放大器控制。
二、柵極脈沖在脈沖雷達中的應(yīng)用
在脈沖雷達應(yīng)用中，從發(fā)射到接收操作的過渡期間需要快速開啟/關(guān)閉高功率放大器(HPA)。傳統(tǒng)的漏極控制需要在28V至50V的電壓下切換大電流，而柵極脈沖電路可以將邏輯電平信號轉(zhuǎn)換成合適的GaN HPA柵極控制信號，從而實現(xiàn)高效控制功率放大器。此外，柵極脈沖電路還可以實現(xiàn)功率放大器的高速開關(guān)，從而提高脈沖雷達的性能。
三、柵極脈沖的優(yōu)勢
相比傳統(tǒng)的漏極控制方式，柵極脈沖具有以下優(yōu)勢：
控制精度高：柵極脈沖控制的是電壓，可以實現(xiàn)高精度的功率放大器控制。
響應(yīng)速度快：柵極脈沖電路可以實現(xiàn)功率放大器的高速開關(guān)，從而提高脈沖雷達的性能。
適用范圍廣：柵極脈沖電路可以將邏輯電平信號轉(zhuǎn)換成合適的GaN HPA柵極控制信號，適用于多種場景。
?柵極脈沖電路?是一種用于控制場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的電路，其主要功能是將控制器輸出的低電壓信號轉(zhuǎn)換為高電壓、高電流的脈沖，從而控制這些半導(dǎo)體開關(guān)的操作。柵極脈沖電路在電力電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在需要快速開關(guān)和高功率處理的應(yīng)用中。
柵極脈沖電路的基本原理
柵極脈沖電路通過將邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為適合MOSFET或IGBT柵極控制的脈沖信號。它需要一個負電壓來設(shè)置適當?shù)钠秒娏鳎约耙粋€更大的負電壓來關(guān)閉器件。因此，電路應(yīng)接受正邏輯電平輸入并轉(zhuǎn)換為兩個負電壓之間的脈沖。此外，柵極脈沖電路還需要克服柵極電容的影響，提供急速的上升時間，并盡量減少過沖?12。
柵極脈沖電路的應(yīng)用場景
柵極脈沖電路在電力電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在以下場景中：
?相控陣天線?：在相控陣天線開發(fā)中，柵極脈沖電路用于快速開啟和關(guān)閉高功率放大器(HPA)，以滿足低尺寸、重量和功耗(SWaP)的要求?1。
?電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?：在電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，柵極脈沖電路用于控制MOSFET或IGBT的開關(guān)，實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和功率控制?2。
柵極脈沖電路的設(shè)計考慮因素
設(shè)計柵極脈沖電路時需要考慮以下因素：
?偏置電壓?：偏置電壓的小幅增加可能導(dǎo)致器件電流顯著增加，因此電路需要非常穩(wěn)定，并有一個箝位器來防止受損?1。
?器件差異?：不同器件的最佳偏置電壓可能有所不同，因此希望系統(tǒng)內(nèi)可編程柵極偏置特性?1。
?開關(guān)速度和損耗?：驅(qū)動電阻(如R1和R2)會影響開關(guān)速度和損耗，需要合理選擇以優(yōu)化性能?34。
通過理解這些基本原理和應(yīng)用場景，可以更好地設(shè)計和應(yīng)用柵極脈沖電路，以滿足各種電力電子系統(tǒng)的需求。
柵極脈沖是一種新型的功率放大器供電方式，可以實現(xiàn)高效的功率放大器控制。在脈沖雷達等場景下，柵極脈沖電路可以實現(xiàn)功率放大器的高速開關(guān)，從而提高脈沖雷達的性能。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信柵極脈沖將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
下載文檔
