用于脉冲雷达应用的氮化镓HEMT

对GaN组件需求的很大一部分将来自雷达，无论是国防还是民用应用。对于SiC上的GaN，高电子迁移率晶体管（HEMT）具有高增益、高开关速度和高功率密度的优势。

这些优势是目前取代雷达常用的高功率、大带宽行波管（TWT）放大器的趋势背后的原因。GaN HEMT消除了由于阴极耗尽而导致的TWT放大器固有的使用寿命相对较短的限制，长时间存储后开启时TWT损坏的风险，以及由于管中的所有组件都是潜在的单点硬故障，因此平均故障间隔时间（MTBF）较低。

关键考虑因素

大多数基于GaN HEMT的雷达设计的核心是使用脉冲RF信号的脉冲放大器，晶体管由直流偏置供电。对于某些应用，对直流偏置进行脉冲处理可降低干扰和功耗。与连续波 （CW） 模式相反，脉冲操作具有减少外部直流电源需求和发热的优点。

这种操作的主要挑战是在漏极侧实现高电流以及较短的开关时间，这两者都可以通过GaN器件实现。

然而，GaN HEMT，例如来自Wolfspeed的HEMT，确实需要在偏置方面仔细考虑。它们是耗尽模式元件，通常在栅极-源极电压为零时导通。考虑到这一点，必须首先在栅极施加负电压以将其关闭。

漏极脉冲切换

为了实现漏极脉冲，可以在负载开关配置中使用P沟道或N沟道调整MOSFET。使用 P 沟道 MOSFET 时（图 1A），源极连接到输入电压轨，漏极连接到负载。要打开开关，栅源电压VGS必须大于阈值电压VTH。换句话说：

图1：需要 N 沟道控制电路块的 P 沟道负载开关电路 （A） 和 N 沟道负载开关

使用 N 沟道 MOSFET 时，漏极连接到输入电压轨，源极连接到负载。输出电压是负载两端的电压。要打开开关，栅源电压VGS必须大于VTH。换句话说：

VGS ≥ V输出 + VTH

为此，N 沟道负载开关需要第二个电压轨来控制栅极（图 1B）。输入电压轨可以认为与调整管无关，N沟道负载开关可用于非常低的输入电压轨或更高的电压轨，只要VGS保持高于VTH。

当开关时间不重要时，P 沟道 MOSFET 可提供简单的电路设计。

脉冲电路

以下电路（图2）使用更简单的P沟道负载开关，实现1.9 μs导通时间，在漏极侧提供高达20 A的电流。

图2：该电路满足高达 20 A 的大电流要求

使用 100V P 沟道 MOSFET SQM120P10，可实现以下规格：

VDS （V） = –100 V

RDS（ON）（Ω） = 0.0101 @ VGS = –10 V

RDS（ON）（Ω） = 0.0150 @ VGS = –4.5 V

漏极电流 （ID） = –120 A

电路的输入和输出为：

DC_IN：连接到直流电源 （50 V）

PA_DRAIN：连接到射频晶体管的漏极

J1：连接到脉冲控制信号

J2：在设置所需的IDQ时短路以旁路Q2

Zenner二极管保护MOSFET，使Q2 VGS不超过14 V。

R2和R5构成分压器，为Q2栅极提供控制电压。J2引脚1处的电压>1 V使N沟道FET Q4导通，Q2的VGS从0 V变为–8 V，从而导通。输出电压变为：

PA_DRAIN = DC_IN – （RDS（ON）× ID)

当J1引脚1的脉冲输入信号为低电平（>0.7 V）时，Q4关断，Q2 VGS = 0，Q2关断，PA_DRAIN输出电压为0 V。

R2 和 R5 值的选择基于通过分压器的电流和 MOSFET 栅极控制电压。对于大电流应用，可以选择R2和R5值来设置Q2 VGS，从而降低Q2导通电阻RDS（ON）。但是，这可能会延迟关闭。

将 VGS 设置为导通时为 –8 V 可实现 28V 至 –50V 的宽直流范围。在此范围内，VGS的范围为–4.5 V至–8 V。

在 Wolfspeed 测试期间，漏极电流 ID 为 18 A，RDS（ON）≈ 0.01 Ω，输出电压为 49.82 V，接近 DC_IN （50 V）。使用1 ms 10%脉冲测试信号时，当输出直流电压达到DC_IN的1%时，观察到导通时间为88.90 μs。

氮化镓应用的沃尔夫速度

随着国防部门使用有源电子扫描阵列（AESA）技术3在共享电子设备和天线孔径中整合雷达、电子支持、电子攻击和通信等多种射频功能，GaN HEMT在尺寸、重量、功率和鲁棒性方面的优势将变得更加引人注目。

审核编辑L郭婷