Использование GaN транзисторов кВт уровня в радиолокационных и авиационных системах. Часть 2.

Эта схема имеет несколько преимуществ:

1. Необходимо только единственное положительное напряжение питания, все остальные напряжения генерируются в контрольной схеме.
2. Автоматически обеспечивается то, что напряжение затвора отрицательное до того, как применено смещение стока к  GaN устройству, следовательно предотвращается случайное разрушение устройства.
3. Перепад напряжения на ультра низком Rdson MOSFET обычно 0,2В, что означает, что эффективность во время импульса снижается только на 0,3%.

Детализировано работа данной схемы выглядит следующим образом:

На первичном DC включении питания, Q4 остается выключенным, тогда как +5V регулятор напряжения U2 и инвертор напряжения U3 включены. Выход U2 управляет входом U3 для создания -5В, необходимых для смещения затвора  GaN транзистора. Когда положительное напряжение питания достигает около +4 вольт, U3 начинает включаться и отрицательное напряжение возникает на его выходе. Когда выходное напряжение на U3 достигает около +4 вольт, NPN транзистор Q3 включается, что включает Р-канал MOSFET Q1. При включенном Q1 его клемма источника доходит до 0В, отключая N-канал MOSFET Q2. Разомкнутая цепь на стоке Q2 отключает его от  UV -контакта (вывод 1) U1 и позволяет продолжить нормальную работу контроллера U1. Всякий раз, когда U3 выключен или не полностью включен, то есть, когда его выход составляет -4 В или меньше, тогда будет включен Q2, потянув UV-вывод контроллера U1 вниз до 0 В и вынуждая U1 отключить Q4. Это гарантирует, что на устройство GaN не подается напряжение стока, когда выход инвертора напряжения не меньше, чем <-4 В, и что устройство GaN всегда будет изначально отключаться, когда на него подается напряжение стока.

По мере включения питания U1 становится активным и принимает на себя управление оставшимся процессом последовательности смещения. Когда UV-контакт U1 достигает порогового напряжения от низкого до высокого уровня 4 В, контакт GATE (контакт 6) U1 начинает включать Q4, позволяя приложить напряжение стока к устройству GaN. Напряжение питания, при котором это происходит, может быть установлено резисторами R4 и R5. Например, для R4 = 68KΩ и R5 = 10KΩ, напряжение питания начнет включать сток, когда оно достигнет 31 В (31 * 10K / [10K + 68K] = 4). Вывод GATE U1 использует зарядный насос для линейного увеличения напряжения стока. Это время разгона может быть скорректировано с конденсатором C5.

Для отключения питания процесс происходит в обратном порядке, за исключением того, что пороговый уровень слегка смещен из-за встроенного гистерезиса в контроллере U1 (верхний-нижний порог, вывод UV = 3,6 В). Для приведенного выше примера пороговое значение от высокого до низкого уровня будет срабатывать, когда напряжение питания пересекает 28 В (28 * 10K / [10K + 68K] = 3,6), когда Q4 выключается. Как описано выше, отрицательное напряжение не начнет снижаться до тех пор, пока напряжение питания не опустится ниже +4В.

Цепь селекторного импульса получает питание от постоянного тока от выхода -5 В инвертора напряжения U3, но в остальном работает отдельно от секвенсора смещения. В период выключения RF-импульса схема селекторного импульса неактивна и пропускает -5 В на затвор транзистора GaN, удерживая его защемленным. В период включения импульса схема диодного детектора Шоттки запускает схему компаратора / переключателя, которая переключает напряжение затвора до желаемого уровня рабочего смещения. Смещение может быть установлено в цепи делителя напряжения, сформированной регулируемым потенциометром. Для быстрого времени переключения в буферном усилителе использовался высокоскоростной операционный усилитель на рельсовых путях. Кроме того, емкость на линии смещения затвора после переключателя была минимизирована для поддержания быстрого времени нарастания / спада.

Общее потребление мощности этого селекторного импульса и схемы задания последовательности составляет 0,85W (17 мА на 50В).