摘要：本文设计了一种适用于GaN功率管的漏极脉冲调制电路，在大功率情况下实现快速窄脉冲调制。主要采用栅极驱动器NCD77QC驱动PMOS管实现对GaN功率管漏极电压的开关调制。并选用了NMOS管设计了放电回路，以获得陡峭的下降沿。电路可实现对工作电压不高于50V，工作峰值电流不大于60A，的GaN功率管的脉冲调制，调制频率不高于300kHz。采用1000W的GaN功率管作为负载进行实测，射频脉冲检波，脉宽500ns，上升沿优于70ns，下降沿优于50ns。
关键词：GaN功率管；漏极调制；快速窄脉冲
0 引言
无线电发射机中的调制方式有三种，分别是调频、调幅、调相，虽然调相方式的频带利用率和抗噪声性能最佳，但是要实现大功率发射难度较大。为了实现无线电发射机大功率发射，一般采用调幅工作体制，既载波幅度是随着调制信号而变化。通常采用电源调制的方式，通过控制功率管的电源，控制其工作状态，实现对连续波信号的开关，将输入功率管的连续波信号转变称脉冲信号。根据功率管电源特性，目前国产功率管仅支持漏极调制方式，栅极调制工作不稳定。采用漏极调制方式，还可以获得较高的通断比和效率，降低了大功率下对散热的要求[1]。
随着第三代半导体技术的成熟，基于第三代半导体材料的GaN功率管，在大功率发射机中的应用越来越普遍，相较GaAs功率管，具有更大的功率密度，更高的击穿电压等特点。但GaN功率管相较GaAs功率管，工作电压、工作电流也较高，对高电压，大电流实现快速窄脉冲调制难度较大。
本文研究设计了一种工作电压不小于50V，工作电流峰值可达60A，占空比不小于1%，脉冲宽度为1μs，上升沿、下降沿不大于100ns的快速窄脉冲调制电路，解决了大功率GaN功率管快速窄脉冲调制问题。
1.电路设计
1.1工作原理
漏极调制电路是通过输入TTL信号，控制MOS驱动电路，进一步控制PMOS或NMOS管的导通和关断，对功率管漏极电源进行开关。因为NMOS管导通需要栅极电压高于源极，在高压调制中，很难满足该条件[2]，而PMOS管是栅极低于源极时导通，栅极电压等于源极时关断，电路实现简单，因此一般选用PMOS管进行漏极调制电路设计。本文设计的漏极调制原理图如图1所示，主要由储能电容、MOS驱动器、PMOS场效应管组成。漏极脉冲调制电路中，脉冲开启时峰值电流非常大，需要有储能电容来提供脉冲开启时的瞬时大电流。
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图 1 漏极调制原理图
1.2元器件选型
储能电容选型
电容器按其制造材料分类，包含瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容，还有先进的聚丙烯电容等等，工程上常用的有瓷介电容、电解电容、钽电容。其中瓷介电容通常容量小，等效串联电阻小，充、放电快；电解电容耐压高，容量大，等效串联电阻较大；钽电容容量大、等效串联电阻小，但耐压最高只能做到125V。根据元器件降额使用要求，电解电容和钽电容耐压一般要求留50%的裕量。在快速窄脉冲调制电路中，因脉冲宽度为μs量级，要求放电速度快，电容的等效串联电阻大，其瞬间提供电流能力弱，因此可选用瓷介电容和钽电容搭配储能；在工作电压高于60V时，选用瓷介电容和电解电容搭配储能。
电容器容值的大小对脉冲波形的顶降有影响，电容在脉冲开启时为功率管提供能量，随着能量的释放，其端电压会出现下降，既功率管漏极电压下降，输出功率也随之下降，就形成了脉冲顶降[3]。储能电容的容值可由下式计算等到：
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(1)
式中：C为储能电容容值；Ipeak为功率管峰值电流；T为功率管调制脉冲宽度；VD为功率管漏极电压；d为顶降百分比。
本文中Ipeak设计值为60A，T为1μs，VD为50V，d按5%计算，可以计算得到：
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(2)
驱动器选型
驱动器的选型主要考虑工作电压需不小于50V；工作频率根据占空比和脉冲宽度计算，应不小于10kHz；脉冲上升时间和下降时间应不大于70ns。本文选用的PMOS栅极驱动器型号为NCD77QC，其工作电压可达65V，最大驱动电流1.5A，最高工作频率300KHz，上升时间、下降时间不大于30ns。
场效应管选型
场效应管选型主要考虑工作电压、通过电流、导通内阻、上升时间和下降时间。本文中选用的场效应管型号为CS5N5210，漏源电压最大为100V、通过脉冲电流最大可达124A、导通内阻不大于0.06Ω，最大上升时间为150ns、最大下降时间为116ns。其中导通内阻越小越好，大功率电路汇总，峰值电流较大，导通电阻会带来较大的压降。
2 工程实现
本文设计电路如图2所示，实际电路中增加了一个NMOS作为放电回路，在脉冲下降时，NMOS开启，以获得更好的脉冲下降沿。不增加放电回路电路也可以正常工作，但是在不带负载的情况下，VD处检测不到脉冲波形。
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图 2 漏极调制电路原理图
印制板布局如图3所示，为了确保PMOS栅极驱动器工作稳定，其外围电容应尽量靠近驱动器引脚。PMOS的输出路径应尽量短，且走线尽量宽，以避免引线电感引起脉冲过冲和振铃。
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图 3 印制板图
3 实物测试
采用1000W的GaN功率管作为负载进行测试，GaN功率管附加效率为30%，可换算得工作峰值电流为66A。测试时射频信号采用连续波信号输入和脉冲信号输入两种情况进行测试。连续波信号输入的情况如图4所示，CH2为漏极调制电路输出电压电压，CH3为射频信号检波波形，漏极调制电路输出电压幅度实测为48.4V，脉冲宽度500ns，上升沿较差为100ns，下降沿为70ns。射频检波信号上升沿为70ns，下降沿为50ns。
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图 4 连续波信号输入
射频信号为脉冲信号输入时测试结果如图5所示，CH2漏极调制电路输出电压波形，CH3为射频脉冲检波波形。漏极调制电路输出电压幅度实测为47.5V，脉冲宽度700ns，上升沿，下降沿为70ns。射频检波信号上升沿为30ns，下降沿为80ns，射频检波信号下降沿较差，主要是输入脉冲信号下降沿较差引起。
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图 5 脉冲信号输入
根据测试结果，本文设计的漏极调制电路工作电压达到了50V、工作电流不小于60A、脉冲宽度主要由功率管及散热情况觉定，本电路实测选择了500ns和700ns进行测试，电压波形上升沿、下降沿均小于100ns，漏极电压没有顶降，射频信号顶降不大于5%，工作稳定。
4 结论
随着GaN功率管技术的成熟，GaN单管输出功率越来越高，为了确保功率管工作稳定，漏极调制电路输出波形质量要求越来越高。本文设计的调制电路上升沿、下降沿都控制在100ns范围内，工作电压达到50V，工作电流不小于60A，极限为124A，可适用于大功率GaN功率管的漏极调制电路。
参考文献
[1] 朱枫．微波固态功率放大器的脉冲调制技术[D]．南京：东南大学，2007.1-43
[2] 赵瑞华，王振亚. T/R组件中功放脉冲调制电路的分析与设计[J]. 航空兵器，2016，（6）：29-32.
[3] 朗平,韩鹏伟. 脉冲功率放大器调制技术分析[J]. 舰船电子对抗，2014，37.