eng
Выпуск #4/2025
Е. Савченко, А. Мартынов, А. Першин, М. Селиванов
ЭКБ СИСТЕМ ПИТАНИЯ GaN CВЧ-УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
ЭКБ СИСТЕМ ПИТАНИЯ GaN CВЧ-УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
Просмотры: 992
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.245.4.44.48
Представлен аналитический обзор электронной компонентной базы (ЭКБ) иностранного и отечественного производства, используемой при построении систем питания GaN
CВЧ-усилителей мощности.
Представлен аналитический обзор электронной компонентной базы (ЭКБ) иностранного и отечественного производства, используемой при построении систем питания GaN
CВЧ-усилителей мощности.
Теги: electronic components gan microwave power amplifier gan свч-усилитель мощности power supply system система питания электронная компонентная база
ЭКБ систем питания GaN CВЧ-усилителей мощности
Е. Савченко, к. т. н., доцент1, А. Мартынов2, А. Першин3, М. Селиванов4
Для GaN СВЧ-усилителей мощности (УМ) на основе нормально-открытых полевых транзисторов разрабатываются специализированные системы питания. Настоящая статья является второй частью цикла из трех статей по этой тематике и представляет собой аналитический обзор электронной компонентной базы (ЭКБ) иностранного и отечественного производства (ИП и ОП), используемой при построении систем питания GaN СВЧ УМ.
Д ля GaN СВЧ УМ характерны следующие тенденции: существенное увеличение плотности выходной мощности, повышение диапазона рабочих частот, снижение габаритных размеров изделий [1, 2]. Для их эксплуатации целесообразна разработка универсальных систем управления питанием, обеспечивающих ускорение процесса разработки и упрощение внедрения GaN СВЧ УМ.
СВЧ-усилители мощности разрабатываются для различных областей применения, что определяет их электрические параметры и режимы работы [3, 4]. В мобильных терминалах и маломощных передатчиках используются усилители с пониженными напряжением питания (15–20 В) и током потребления. Для радиолокационных систем и систем подавления БПЛА характерны более высокие напряжения питания 28–48 В и импульсный режим работы, что снижает среднее энергопотребление и тепловые нагрузки. В системах спутниковой связи, базовых станциях и наземных передатчиках применяются усилители, работающие в непрерывном режиме. При анализе СВЧ-усилителей, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, сформулированы унифицированные требования к системам питания [5–7]:
времена нарастания и спада радиоимпульса:
ЭКБ контроллеров смещения
В первой статье настоящего цикла [2] приводится обобщенная функциональная схема контроллера смещения с описанием основных узлов. Контроллеры напряжения смещения строятся на основе линейных стабилизаторов напряжения, DC/DC-преобразователей, детекторов напряжения и операционных усилителей.
Для сравнения ЭКБ, подходящей для применения в схемах контроллеров смещения, на рис. 1–3 представлены параметры интегральных микросхем (ИМС) от отечественных и зарубежных производителей.
Рассмотрены изделия, выпускаемые в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа, отвечающие требованиям по конструктивным и электрическим параметрам. Линейные стабилизаторы напряжения с низким падением напряжения можно разделить на три группы по диапазону напряжения питания: первая группа – до 25 В, вторая группа – до 40 В, к третьей группе относятся стабилизаторы напряжения, подходящие для большинства СВЧ УМ средней и высокой мощности с напряжением питания до 100 В.
АО «Группа Кремний Эл» и ряд зарубежных компаний, таких как UTC, Wayon, UNIU, выпускают линейные стабилизаторы напряжения с низкими рабочими напряжениями до 25 В и выходными токами не превышающими 200 мА. Микросхема MIK4275 (АО «Микрон») имеет наибольшее значение Iвых в своей категории рабочих напряжений. Особенностью российских микросхем линейных стабилизаторов напряжения является проигрыш
в размерах по сравнению с зарубежными аналогами (различие площадей корпусов ИМС ОП и ИП составляет до 70%). Широкая номенклатура линейных стабилизаторов напряжения от зарубежных производителей обеспечивает выбор микросхем с относительно высокими значениями выходных токов (сотни миллиампер) и широким диапазоном напряжения питания (десятки вольт), в малогабаритных корпусах с площадью не более 16 мм2.
Вторым типом ИМС, используемым для построения контроллеров смещения, является DC/DC-преобразователь, который выполняет функции формирования низковольтного напряжения питания и его инвертирования, формируя отрицательное напряжение, поступающее в цепь смещения СВЧ УМ. Основными параметрами DC/DC-преобразователей для решаемых задач являются: диапазоны входных и выходных напряжений, частота переключения, также крайне важны количество и размеры необходимых внешних компонентов. Такие преобразователи могут выпускаться с фиксированным или регулируемым уровнем выходного напряжения.
Предпочтительными являются микросхемы с выходными напряжениями от минус 5 В до нуля для обеспечения отрицательного напряжения смещения нормально-открытых GaN-транзисторов. Рабочая частота DC/DC-преобразователя определяет габариты и номиналы внешних компонентов. При увеличении значения частоты переключения площадь, занимаемая внешними компонентами на плате, сокращается, однако, возрастает степень влияния электромагнитных помех на Uвых. Подходящие варианты DC/DC-преобразователей для задач формирования отрицательного напряжения с компонентами минимальных размеров от российских и белорусских производителей представлены АО «Группа Кремний Эл» и ОАО «Интеграл». Микросхемы зарубежных DC/DC-преобразователей характеризуются большими значениями рабочих частот и менее габаритными корпусами (различие площадей корпусов ИМС ОП и ИП составляет до 75 %).
Третьим типом используемых ИМС являются операционные усилители (ОУ). Для работы с отрицательными напряжениями смещения необходимо использование микросхем типа rail-to-rail (входные и выходные напряжения «от питания до питания»). Так как рассматриваются системы управления питанием с непрерывным напряжением смещения, не поддерживающие модуляцию по цепи смещения, достаточным является использование ОУ с полосой пропускания порядка сотен килогерц. Использование быстродействующих ОУ в составе контроллера напряжения смещения избыточно и экономически нецелесообразно, кроме того, они могут негативно влиять на стабильность схемы из-за возможности самогенерации и повышенного энергопотребления. На рис. 3 приводится сравнение ИМС ОУ ИП и ОП по значениям входного напряжения (Uвх.) и коэффициенту влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения нуля (Квл.и.п.).
Для обеспечения стабильного напряжения смещения СВЧ УМ требуется значение Квл.и.п. не менее 70 дБ. Отечественные решения сопоставимы по значению Квл.и.п. и размерам корпусов с зарубежными аналогами.
ИМС ОП линейных стабилизаторов и DC/DC-преобразователей уступают зарубежным аналогам по значениям выходных токов, рабочих частот, габаритам корпусов и функциональности. ИМС ОУ отечественного и зарубежного производства по рассматриваемым параметрам сопоставимы.
ЭКБ модуляторов питания
Рассмотрим две разновидности схем модуляторов по режиму работы:
1. Модуляторы с поддержкой импульсного и непрерывного режимов (однотактные). В состав данных схем входят МОП-транзисторы в корпусах с повышенной рассеиваемой мощностью, что позволяет работать в непрерывном режиме. Схемотехника
и габариты таких решений не предусматривают работу с малыми временами фронта и спада выходных импульсов (типичные значения времен нарастания и спада составляют от единиц до десятков микросекунд для токов до 10 А и выше). Данные схемы отличаются минимумом компонентов и обеспечивают значения КПД 75–90% [8].
2. Модуляторы без возможности работы в непрерывном режиме (двухтактные) строятся по полумостовой схеме, обеспечивая минимальные времена фронта и спада выходного напряжения (10–100 нс) и высокую частоту переключения (сотни килогерц) для токов до 10 А, для чего требуется специализированный класс схем – драйверы управления полумостом, а ключевые транзисторы должны быть минимальных размеров с максимальным быстродействием. Двухтактные модуляторы содержат большее количество компонентов, отличаются лучшими характеристиками, значение их КПД достигает 90–98%.
На рис. 4 представлены результаты анализа ИМС полумостовых драйверов.
ИМС драйверов ИП представлены в компактных корпусах типов VSON, QFN, TDFN, в то время как отечественные выпускаются в корпусе SO-8, при этом драйверы ОП сравнимы с зарубежными аналогами по электрическим параметрам. Большая часть драйверов предусматривает работу с двумя силовыми ключами – двухканальные драйверы. Компания Analog Devices предлагает многоканальное решение (TMC6200). Типовое напряжение питания драйверов составляет от 4 до 18 В, таким образом, для корректной работы драйверов в схемах модуляторов необходимо преобразование входного напряжения в пониженное напряжение питания. Быстродействие драйвера, а следовательно, и всего модулятора, характеризуется двумя параметрами: длительностью нарастания (спада) выходных импульсов, а также скоростью преобразования входных управляющих сигналов.
В качестве силовых ключей в большинстве случаев используют n- и p-канальные МОП-транзисторы. Примеры n- и p-канальных МОП-транзисторов ИП и ОП, подходящих по параметрам для применения в модуляторах питания, представлены в табл. 1.
Для сравнения МОП-транзисторов использован обобщенный показатель качества (ОПК), вычисленный по формуле:
ОПК = Rcи·Qз·k.
Rcи – сопротивление перехода сток-исток [Ом];
Qз – полный заряд затвора транзистора [нКл];
k = 10 – нормирующий коэффициент.
Отечественные транзисторы представлены АО «Ангстрем», АО «ВЗПП-С», АО «НПП «Пульсар», АО «НПП «Завод Искра». Также для сравнения были добавлены транзисторы белорусской компании ОАО «Интеграл».
N-канальные МОП-транзисторы отличаются лучшими электрическими характеристиками: большими предельными напряжениями и токами (возможно обеспечить уровни рабочих напряжений до 200 В и токов до 50 А), меньшим сопротивлением канала и меньшими временами фронта и спада выходных импульсов (как следствие меньшим значением ОПК). К особенностям p-канальных транзисторов можно отнести большую площадь, что обеспечивает меньшее тепловое сопротивление кристалл-корпус (хотя данное обстоятельство приводит к увеличению паразитных емкостей). Выбор между n- и p-канальными транзисторами зависит от конкретных требований к схеме. Для задач, требующих высокой скорости переключения и низких потерь, предпочтение обычно отдают n-канальным транзисторам. Однако в ряде случаев, например, при упрощении схемы управления или снижении требований к драйверу, p-канальные транзисторы также находят применение.
Наибольшее распространение за рубежом получили изделия в безвыводных корпусах типа PQFN и DirectFET [9]. Благодаря прямому контакту выводов кристалла с платой и металлическим основанием корпуса DirectFET обеспечивают низкие тепловое и электрическое сопротивления корпуса. Компактные размеры безвыводных корпусов позволяют не только повышать плотность монтажа на печатной плате, но и характеризуются меньшими значениями паразитных параметров выводов. На рис. 5 приведены осциллограммы переходного процесса модуляторов с использование корпуса типа РQFN и выводного корпуса ТО-263. Для варианта с выводным корпусом силового ключа напряжение в момент коммутации превышает значение в установившемся режиме более чем на 30%. МОП-транзисторы ОП в безвыводных корпусах PDFN представлены компанией ООО «НМ-Тех».
Для отечественных транзисторов выходные токи не превышают 90 А, сопротивление сток-исток Rcи сравнимо по порядку величины с зарубежными аналогами. Параметр заряда затвора Qз для большинства отечественных изделий в справочных листах отсутствует. Транзисторы 2П829Д производства АО «НПП «Завод Искра» и IFP75N08 ОАО «Интеграл» характеризуются значением ОПК выше, чем у импортных транзисторов. Также к проблемам отечественных МОП-транзисторов относится их ограниченная номенклатура в том числе по рабочим токам.
Микросхемы драйверов и силовых транзисторов, являющиеся основой модуляторов питания, выпускаются в миниатюрных корпусах зарубежными компаниями. Отечественные силовые ключи, подходящие по параметрам выходного тока, рабочих напряжений и скорости переключения, выпускаются в крупногабаритных корпусах и не могут использоваться в составе современных систем питания GaN СВЧ УМ. Стоимость микросхем драйверов и силовых транзисторов является сравнительно невысокой и не превышает 30% от общей стоимости компонентов системы управления питанием.
Тенденция миниатюризации СВЧ-систем в том числе требует уменьшения габаритов систем управления питанием, меньшие размеры модуляторов питания позволяют увеличить быстродействие, оптимизировать систему охлаждения устройств, снизить потери.
Исключением являются мощные стационарные СВЧ-системы, для которых не предъявляются жесткие ограничения по габаритным размерам, но есть необходимость коммутации токов,
составляющих десятки-сотни ампер.
***
ЭКБ ИП, подходящая для построения систем управления питанием, представлена широкими номенклатурными рядами, для нее характерна тенденция к увеличению рабочих
частот и напряжений при сохранении компактных габаритов, что актуально при создании современных GaN СВЧ-усилителей мощности. В сегменте модуляторов питания наблюдается широкое распространение силовых МОП-транзисторов в малогабаритных безвыводных корпусах с низкими электрическим и тепловым сопротивлениями.
Для создания современных систем питания GaN СВЧ-усилителей мощности можно выделить следующие приоритетные направления развития ЭКБ ОП:
1. Разработка и освоение производства линейных стабилизаторов напряжения с напряжением питания не менее 100 В.
2. Разработка и освоение производства широкой номенклатуры n- и р-канальных МОП-транзисторов
с рабочими напряжениями не менее 100 В и импульсными токами не менее 5 А в безвыводных малогабаритных корпусах.
3. Расширение номенклатуры имеющихся преобразователей напряжения, силовых транзисторов, операционных усилителей, включая изделия с приемкой ОТК, в малогабаритных исполнениях для нужд гражданского рынка.
ЛИТЕРАТУРА
Савченко Е. М., Першин А. Д., Будяков А. С, Фондеркин К. И. Результаты разработки СВЧ МИС усилителей малой и средней мощности. – Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА.
Материалы XII Научно-технической конференции. Москва, 24–25 октября 2013 года. М.: МНТОРЭС им. А. С. Попова, 2013.
Савченко Е., Мартынов А., Першин А., Селиванов М. Основные подходы к построению схем управления питанием GaN СВЧ-усилителей мощности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2024. №9. С. 96.
Савченко Е., Першин А., Гладких М., Селиванов М. Применение измерительных СВЧ-усилителей средней и большой мощности для исследования параметров GaN монолитных интегральных схем // СВЧ-электроника. 2022. № 1(20). С. 52–56
Савченко Е. М., Першин А. Д., Кузьмин А.Ю. СВЧ МИС широкополосных усилителей как универсальные компоненты современной радиоэлектронной аппаратуры. // Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии. 2020. Т. 3. № 1. С. 75–97.
Барсегян А., Кояма Д., Уокер Д., Тангем В. Авторизированный перевод Дидилев С. Особенности применения мощных GaN СВЧ-транзисторов в авионике и радарных системах // СВЧ электроника. 2016. №1.
Alt A., Hirshy H., Jiang S. et al. Analysis of gain variation with changing supply voltages in GaN HEMTs for envelope tracking power amplifiers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2019. V. 67. Issue 7. PP. 2495–2504.
Nikandish R. GaN Integrated Circuit Power Amplifiers: Developments and Prospects // IEEE Journal of Microwaves. 2023. V. 3. Issue 1. PP. 441–452.
Martinez-Garcia H., Turkson R., Silva-Martinez J. Supply modulator for linear wideband RF power amplifiers // Jornades de Recerca EUETIB, 2013. PP. 65–73.
Дьяконов В. Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор // Силовая электроника. 2011. № 3. С. 18–28.
Е. Савченко, к. т. н., доцент1, А. Мартынов2, А. Першин3, М. Селиванов4
Для GaN СВЧ-усилителей мощности (УМ) на основе нормально-открытых полевых транзисторов разрабатываются специализированные системы питания. Настоящая статья является второй частью цикла из трех статей по этой тематике и представляет собой аналитический обзор электронной компонентной базы (ЭКБ) иностранного и отечественного производства (ИП и ОП), используемой при построении систем питания GaN СВЧ УМ.
Д ля GaN СВЧ УМ характерны следующие тенденции: существенное увеличение плотности выходной мощности, повышение диапазона рабочих частот, снижение габаритных размеров изделий [1, 2]. Для их эксплуатации целесообразна разработка универсальных систем управления питанием, обеспечивающих ускорение процесса разработки и упрощение внедрения GaN СВЧ УМ.
СВЧ-усилители мощности разрабатываются для различных областей применения, что определяет их электрические параметры и режимы работы [3, 4]. В мобильных терминалах и маломощных передатчиках используются усилители с пониженными напряжением питания (15–20 В) и током потребления. Для радиолокационных систем и систем подавления БПЛА характерны более высокие напряжения питания 28–48 В и импульсный режим работы, что снижает среднее энергопотребление и тепловые нагрузки. В системах спутниковой связи, базовых станциях и наземных передатчиках применяются усилители, работающие в непрерывном режиме. При анализе СВЧ-усилителей, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, сформулированы унифицированные требования к системам питания [5–7]:
- напряжение питания: +5 … +48 В;
- напряжение смещения: –5,0 … +5 В;
- выходной импульсный ток: до 10 А;
времена нарастания и спада радиоимпульса:
- 30 нс … 500 мкс;
- режимы работы: импульсный и непрерывный.
ЭКБ контроллеров смещения
В первой статье настоящего цикла [2] приводится обобщенная функциональная схема контроллера смещения с описанием основных узлов. Контроллеры напряжения смещения строятся на основе линейных стабилизаторов напряжения, DC/DC-преобразователей, детекторов напряжения и операционных усилителей.
Для сравнения ЭКБ, подходящей для применения в схемах контроллеров смещения, на рис. 1–3 представлены параметры интегральных микросхем (ИМС) от отечественных и зарубежных производителей.
Рассмотрены изделия, выпускаемые в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа, отвечающие требованиям по конструктивным и электрическим параметрам. Линейные стабилизаторы напряжения с низким падением напряжения можно разделить на три группы по диапазону напряжения питания: первая группа – до 25 В, вторая группа – до 40 В, к третьей группе относятся стабилизаторы напряжения, подходящие для большинства СВЧ УМ средней и высокой мощности с напряжением питания до 100 В.
АО «Группа Кремний Эл» и ряд зарубежных компаний, таких как UTC, Wayon, UNIU, выпускают линейные стабилизаторы напряжения с низкими рабочими напряжениями до 25 В и выходными токами не превышающими 200 мА. Микросхема MIK4275 (АО «Микрон») имеет наибольшее значение Iвых в своей категории рабочих напряжений. Особенностью российских микросхем линейных стабилизаторов напряжения является проигрыш
в размерах по сравнению с зарубежными аналогами (различие площадей корпусов ИМС ОП и ИП составляет до 70%). Широкая номенклатура линейных стабилизаторов напряжения от зарубежных производителей обеспечивает выбор микросхем с относительно высокими значениями выходных токов (сотни миллиампер) и широким диапазоном напряжения питания (десятки вольт), в малогабаритных корпусах с площадью не более 16 мм2.
Вторым типом ИМС, используемым для построения контроллеров смещения, является DC/DC-преобразователь, который выполняет функции формирования низковольтного напряжения питания и его инвертирования, формируя отрицательное напряжение, поступающее в цепь смещения СВЧ УМ. Основными параметрами DC/DC-преобразователей для решаемых задач являются: диапазоны входных и выходных напряжений, частота переключения, также крайне важны количество и размеры необходимых внешних компонентов. Такие преобразователи могут выпускаться с фиксированным или регулируемым уровнем выходного напряжения.
Предпочтительными являются микросхемы с выходными напряжениями от минус 5 В до нуля для обеспечения отрицательного напряжения смещения нормально-открытых GaN-транзисторов. Рабочая частота DC/DC-преобразователя определяет габариты и номиналы внешних компонентов. При увеличении значения частоты переключения площадь, занимаемая внешними компонентами на плате, сокращается, однако, возрастает степень влияния электромагнитных помех на Uвых. Подходящие варианты DC/DC-преобразователей для задач формирования отрицательного напряжения с компонентами минимальных размеров от российских и белорусских производителей представлены АО «Группа Кремний Эл» и ОАО «Интеграл». Микросхемы зарубежных DC/DC-преобразователей характеризуются большими значениями рабочих частот и менее габаритными корпусами (различие площадей корпусов ИМС ОП и ИП составляет до 75 %).
Третьим типом используемых ИМС являются операционные усилители (ОУ). Для работы с отрицательными напряжениями смещения необходимо использование микросхем типа rail-to-rail (входные и выходные напряжения «от питания до питания»). Так как рассматриваются системы управления питанием с непрерывным напряжением смещения, не поддерживающие модуляцию по цепи смещения, достаточным является использование ОУ с полосой пропускания порядка сотен килогерц. Использование быстродействующих ОУ в составе контроллера напряжения смещения избыточно и экономически нецелесообразно, кроме того, они могут негативно влиять на стабильность схемы из-за возможности самогенерации и повышенного энергопотребления. На рис. 3 приводится сравнение ИМС ОУ ИП и ОП по значениям входного напряжения (Uвх.) и коэффициенту влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения нуля (Квл.и.п.).
Для обеспечения стабильного напряжения смещения СВЧ УМ требуется значение Квл.и.п. не менее 70 дБ. Отечественные решения сопоставимы по значению Квл.и.п. и размерам корпусов с зарубежными аналогами.
ИМС ОП линейных стабилизаторов и DC/DC-преобразователей уступают зарубежным аналогам по значениям выходных токов, рабочих частот, габаритам корпусов и функциональности. ИМС ОУ отечественного и зарубежного производства по рассматриваемым параметрам сопоставимы.
ЭКБ модуляторов питания
Рассмотрим две разновидности схем модуляторов по режиму работы:
1. Модуляторы с поддержкой импульсного и непрерывного режимов (однотактные). В состав данных схем входят МОП-транзисторы в корпусах с повышенной рассеиваемой мощностью, что позволяет работать в непрерывном режиме. Схемотехника
и габариты таких решений не предусматривают работу с малыми временами фронта и спада выходных импульсов (типичные значения времен нарастания и спада составляют от единиц до десятков микросекунд для токов до 10 А и выше). Данные схемы отличаются минимумом компонентов и обеспечивают значения КПД 75–90% [8].
2. Модуляторы без возможности работы в непрерывном режиме (двухтактные) строятся по полумостовой схеме, обеспечивая минимальные времена фронта и спада выходного напряжения (10–100 нс) и высокую частоту переключения (сотни килогерц) для токов до 10 А, для чего требуется специализированный класс схем – драйверы управления полумостом, а ключевые транзисторы должны быть минимальных размеров с максимальным быстродействием. Двухтактные модуляторы содержат большее количество компонентов, отличаются лучшими характеристиками, значение их КПД достигает 90–98%.
На рис. 4 представлены результаты анализа ИМС полумостовых драйверов.
ИМС драйверов ИП представлены в компактных корпусах типов VSON, QFN, TDFN, в то время как отечественные выпускаются в корпусе SO-8, при этом драйверы ОП сравнимы с зарубежными аналогами по электрическим параметрам. Большая часть драйверов предусматривает работу с двумя силовыми ключами – двухканальные драйверы. Компания Analog Devices предлагает многоканальное решение (TMC6200). Типовое напряжение питания драйверов составляет от 4 до 18 В, таким образом, для корректной работы драйверов в схемах модуляторов необходимо преобразование входного напряжения в пониженное напряжение питания. Быстродействие драйвера, а следовательно, и всего модулятора, характеризуется двумя параметрами: длительностью нарастания (спада) выходных импульсов, а также скоростью преобразования входных управляющих сигналов.
В качестве силовых ключей в большинстве случаев используют n- и p-канальные МОП-транзисторы. Примеры n- и p-канальных МОП-транзисторов ИП и ОП, подходящих по параметрам для применения в модуляторах питания, представлены в табл. 1.
Для сравнения МОП-транзисторов использован обобщенный показатель качества (ОПК), вычисленный по формуле:
ОПК = Rcи·Qз·k.
Rcи – сопротивление перехода сток-исток [Ом];
Qз – полный заряд затвора транзистора [нКл];
k = 10 – нормирующий коэффициент.
Отечественные транзисторы представлены АО «Ангстрем», АО «ВЗПП-С», АО «НПП «Пульсар», АО «НПП «Завод Искра». Также для сравнения были добавлены транзисторы белорусской компании ОАО «Интеграл».
N-канальные МОП-транзисторы отличаются лучшими электрическими характеристиками: большими предельными напряжениями и токами (возможно обеспечить уровни рабочих напряжений до 200 В и токов до 50 А), меньшим сопротивлением канала и меньшими временами фронта и спада выходных импульсов (как следствие меньшим значением ОПК). К особенностям p-канальных транзисторов можно отнести большую площадь, что обеспечивает меньшее тепловое сопротивление кристалл-корпус (хотя данное обстоятельство приводит к увеличению паразитных емкостей). Выбор между n- и p-канальными транзисторами зависит от конкретных требований к схеме. Для задач, требующих высокой скорости переключения и низких потерь, предпочтение обычно отдают n-канальным транзисторам. Однако в ряде случаев, например, при упрощении схемы управления или снижении требований к драйверу, p-канальные транзисторы также находят применение.
Наибольшее распространение за рубежом получили изделия в безвыводных корпусах типа PQFN и DirectFET [9]. Благодаря прямому контакту выводов кристалла с платой и металлическим основанием корпуса DirectFET обеспечивают низкие тепловое и электрическое сопротивления корпуса. Компактные размеры безвыводных корпусов позволяют не только повышать плотность монтажа на печатной плате, но и характеризуются меньшими значениями паразитных параметров выводов. На рис. 5 приведены осциллограммы переходного процесса модуляторов с использование корпуса типа РQFN и выводного корпуса ТО-263. Для варианта с выводным корпусом силового ключа напряжение в момент коммутации превышает значение в установившемся режиме более чем на 30%. МОП-транзисторы ОП в безвыводных корпусах PDFN представлены компанией ООО «НМ-Тех».
Для отечественных транзисторов выходные токи не превышают 90 А, сопротивление сток-исток Rcи сравнимо по порядку величины с зарубежными аналогами. Параметр заряда затвора Qз для большинства отечественных изделий в справочных листах отсутствует. Транзисторы 2П829Д производства АО «НПП «Завод Искра» и IFP75N08 ОАО «Интеграл» характеризуются значением ОПК выше, чем у импортных транзисторов. Также к проблемам отечественных МОП-транзисторов относится их ограниченная номенклатура в том числе по рабочим токам.
Микросхемы драйверов и силовых транзисторов, являющиеся основой модуляторов питания, выпускаются в миниатюрных корпусах зарубежными компаниями. Отечественные силовые ключи, подходящие по параметрам выходного тока, рабочих напряжений и скорости переключения, выпускаются в крупногабаритных корпусах и не могут использоваться в составе современных систем питания GaN СВЧ УМ. Стоимость микросхем драйверов и силовых транзисторов является сравнительно невысокой и не превышает 30% от общей стоимости компонентов системы управления питанием.
Тенденция миниатюризации СВЧ-систем в том числе требует уменьшения габаритов систем управления питанием, меньшие размеры модуляторов питания позволяют увеличить быстродействие, оптимизировать систему охлаждения устройств, снизить потери.
Исключением являются мощные стационарные СВЧ-системы, для которых не предъявляются жесткие ограничения по габаритным размерам, но есть необходимость коммутации токов,
составляющих десятки-сотни ампер.
***
ЭКБ ИП, подходящая для построения систем управления питанием, представлена широкими номенклатурными рядами, для нее характерна тенденция к увеличению рабочих
частот и напряжений при сохранении компактных габаритов, что актуально при создании современных GaN СВЧ-усилителей мощности. В сегменте модуляторов питания наблюдается широкое распространение силовых МОП-транзисторов в малогабаритных безвыводных корпусах с низкими электрическим и тепловым сопротивлениями.
Для создания современных систем питания GaN СВЧ-усилителей мощности можно выделить следующие приоритетные направления развития ЭКБ ОП:
1. Разработка и освоение производства линейных стабилизаторов напряжения с напряжением питания не менее 100 В.
2. Разработка и освоение производства широкой номенклатуры n- и р-канальных МОП-транзисторов
с рабочими напряжениями не менее 100 В и импульсными токами не менее 5 А в безвыводных малогабаритных корпусах.
3. Расширение номенклатуры имеющихся преобразователей напряжения, силовых транзисторов, операционных усилителей, включая изделия с приемкой ОТК, в малогабаритных исполнениях для нужд гражданского рынка.
ЛИТЕРАТУРА
Савченко Е. М., Першин А. Д., Будяков А. С, Фондеркин К. И. Результаты разработки СВЧ МИС усилителей малой и средней мощности. – Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА.
Материалы XII Научно-технической конференции. Москва, 24–25 октября 2013 года. М.: МНТОРЭС им. А. С. Попова, 2013.
Савченко Е., Мартынов А., Першин А., Селиванов М. Основные подходы к построению схем управления питанием GaN СВЧ-усилителей мощности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2024. №9. С. 96.
Савченко Е., Першин А., Гладких М., Селиванов М. Применение измерительных СВЧ-усилителей средней и большой мощности для исследования параметров GaN монолитных интегральных схем // СВЧ-электроника. 2022. № 1(20). С. 52–56
Савченко Е. М., Першин А. Д., Кузьмин А.Ю. СВЧ МИС широкополосных усилителей как универсальные компоненты современной радиоэлектронной аппаратуры. // Инфокоммуникационные и радиоэлектронные технологии. 2020. Т. 3. № 1. С. 75–97.
Барсегян А., Кояма Д., Уокер Д., Тангем В. Авторизированный перевод Дидилев С. Особенности применения мощных GaN СВЧ-транзисторов в авионике и радарных системах // СВЧ электроника. 2016. №1.
Alt A., Hirshy H., Jiang S. et al. Analysis of gain variation with changing supply voltages in GaN HEMTs for envelope tracking power amplifiers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2019. V. 67. Issue 7. PP. 2495–2504.
Nikandish R. GaN Integrated Circuit Power Amplifiers: Developments and Prospects // IEEE Journal of Microwaves. 2023. V. 3. Issue 1. PP. 441–452.
Martinez-Garcia H., Turkson R., Silva-Martinez J. Supply modulator for linear wideband RF power amplifiers // Jornades de Recerca EUETIB, 2013. PP. 65–73.
Дьяконов В. Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор // Силовая электроника. 2011. № 3. С. 18–28.
Отзывы читателей
