苏 璞 ,郑敏娇 ,王宇明 ,罗维玲 ,杨 阳
(1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；
2.国防科技大学 信息通信学院试验训练基地，西安 710000)
随着星载雷达发射机需求的不断增长，以及固态器件日益更新换代，对脉冲固态功率放大器(solid-state power amplifier,SSPA)的研究成为一项重要内容[1]。星用固态功率器件开始由第二代砷化镓逐渐向第三代氮化镓发展，其漏极工作电压也逐步由GaAs(20GHz以下)的10V提升到GaN器件的28V，50V，工作电流也随着输出功率的提升而迅速提升，尤其是GaN器件开关速度比GaAs器件高近10倍。这些变化均对功率器件大功率脉冲调制电路带来诸多变化。
大功率脉冲调制电路位于脉冲固态功率放大器功率器件漏极供电端，根据系统所需脉冲宽度及重频将连续电压信号调制为脉冲工作电压，供功率器件工作放大[2-3]。
本文完成一种带上电时序控制及过脉宽保护功能的大功率调制电路，包括上电时序控制电路、过脉宽保护电路、大功率调制电路。该电路调制电压高，上升下降沿速度快，调制频率最高可达500KHz，峰值工作电流超过20A。提出了理论设计方法，进行了仿真及实测验证，同时增加了时序控制、过脉宽保护等功能，提高了固放产品的可靠性。
1.1 原理设计
大功率调制电路实现漏极电流的迅速开通与关断，大大减少了GaN功率器件的功耗，提高了效率，降低了器件热耗，降低了整机散热的需求。此外，该电路需保证固放安全工作，提高系统的稳定性。当功率器件漏极工作电压低于28V时，往往采用封装器件实现调制功能。而当功率器件工作电压在50V时，只能采取分离器件搭建。本文涉及大功率漏极调制电路需要输出48V电压脉冲，能迅速开通与关断大于20A的工作电流。大功率脉冲调制电路包括上电时序控制电路、过脉宽保护电路、大功率调制电路3部分电路，其电路实现原理如图 1所示[4]。
图1 带上电时序控制及过脉宽保护功能的大功率调制电路结构框图Fig.1 Schematic & profiles of the power pulse modulation circuit
1.2 上电时序控制电路设计
为了使固放安全工作，必须保证先加负电、后加正电的加电时序和先下正电、后断负电的关电时序。上电时序控制电路如图 2所示，主要实现功能为无负电输入或负电低于阈值电压时[5-6]，正压无输出，确保功率器件上电安全。
输入的负压Vneg经过运算放大器D3放大后变为正压，如式(1)所列。该电压Vo与二极管D1提供的阈值电压Vref相比较，Vref为4V，当电压Vo低于该阈值电压Vref时，比较器D4输出真值VEN由高电平5V变为低电平0V，与脉冲控制信号TTL相遇后，TTL信号输出为低电平0V，漏极电压无输出[7-8]。
(1)
图2 上电时序控制电路图Fig.2 Schematic of sequence control mode
1.3 过脉宽保护电路设计
过脉宽保护电路如图 3所示，当输入脉冲宽度大于设计脉冲宽度时，脉冲宽度自动截止，有效保护了功率器件的占空比，提高了产品的可靠性。其具体工作原理如图3所示。
输入的TTL信号一路经过RC电路延时后输出，其设计脉冲宽度由时间常数τ决定，该时间常数τ由式(2)计算得到。该路输出信号与实际TTL相与非后输出实际TTL控制信号，该信号进一步控制大功率调制电路。
(2)
图3 过脉宽保护电路图Fig.3 Schematic of over pulse width protection mode
1.4 大功率调制电路设计
大功率调制电路原理框图如图 4所示，与传统电路相比，该电路调制电压超过100V，工作重频最高可达500KHz，上升下降沿小于50ns，峰值工作电流大于20A。大功率调制电路由TTL转换电路、非门转换电路、死区时间设置电路、MOS管驱动电路、MOS管桥壁组成。非门转换电路将TTL电平相位翻转180度[9]；
死区设置时间电路设置脉冲前后沿的死区时间；
MOS管驱动接收TTL信号后驱动MOS管；
MOS管桥壁为MOS管半桥桥壁，其对连续波电压进行脉冲切换，实现脉冲输出[10-11]。
具体电路如图 5所示，MOS管驱动电路依靠IR2110器件D7实现，该器件D7输出的LO输出与HO输出反相，T1导通时T2关断，T1关断时T2开启。TTL信号后沿到来时，LO输出高电平，使T2导通，Vs电位拉低，即HO电位拉低。因T1栅源结电容无需放电，栅极电压已低于源极电压，所以T1会迅速关断，即Vout后沿无拖尾[12]。
图4 大功率调制电路原理框图Fig.4 Profiles of power pulse modulation circuit
图5 大功率调制电路图Fig.5 Schematic of power pulse modulation circuit
选择的MOS管型号为BUY25CS54，其导通电阻为30mΩ。MOS管的导通电阻非常小，所以桥壁的MOS管需要设置死区时间， 防止MOS管桥壁直通，如果桥壁直通，其电流高达百安培级，实际由于存在导线电阻及引线电感，电流会小于理论计算值，但也高达百安电流，导致电源控制芯片电流异常，芯片供电过流保护电源关机。
死区电路主要依靠选取合适电路参数实现[13]，计算公式如式(3)、式(4)。通过优化参数，得到合适的死区时间。
(3)
(4)
调制电路与功率器件应尽可能缩短互联距离，加宽导线。互联导线可等效为电感，由式(5)可知，电感量越大，电压随电流的变化量越大。当射频关闭时，瞬态电流仍然很大，会与电路中寄生的电感L、电容C、以及电阻R产生谐振，电压拉高。实际电路中调制电路与功率器件距离小于10mm。实测调制过冲电压波形，该过冲电压小于55V，如图 6所示，满足功率器件设计要求。
(5)
图6 脉冲调制过冲电压Fig.6 pulse modulated over shoot voltage
实际测试调制电路板如图 7所示，其输出脉冲波形如图8所示。经过测试，调制电压最高100V，调制频率最高可达500KHz，峰值工作电流超过20A，上升沿、下降沿小于30ns。
图7 实际测试调制电路板Fig.7 Schematic of over pulse width protection mode
图8 实际测试输出调制波形Fig.8 Measured output modulated voltage
同时，图 9对死区时间进行了仿真与实测比对，产品实测上管、下管后沿调制波形，死区时间大于1us，能够保证桥壁MOS管无直通风险。
图9 死区时间仿真(PSPICE仿真软件)与实测比对Fig.9 The simulated and measured dead time
本文设计的一种带上电时序控制及过脉宽保护功能的大功率脉冲调制电路，对GaN功率管漏极进行脉冲调制，包括上电时序控制电路、过脉宽保护电路、大功率调制电路。该电路调制电压高，上升下降沿速度快等优势，同时提供时序控制、过脉宽保护等功能。经过测试验证，调制电压最高100V，调制频率最高可达500KHz，峰值工作电流超过20A，上升沿、下降沿小于30ns。目前该电路已应用于某卫星大功率固放产品，经过300小时温循试验，1200小时长寿命试验。工作稳定，性能良好，满足宇航应用需求。
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