高功率放大器在脉冲雷达的应用

在脉冲雷达应用中，从发射到接收操作的过渡期间需要快速开启/关闭高功率放大器 (HPA)。典型的转换时间目标可能小于1 s。传统上，这是通过漏极控制来实现的。漏极控制需要在28 V至50 V的电压下切换大电流。已知开关功率技术可以胜任这一任务，但会涉及额外的物理尺寸和电路问题。在现代相控阵天线开发中，虽然要求尽可能低的SWaP(尺寸重量和功耗)，但希望消除与HPA漏极开关相关的复杂问题。

本文提出了一种独特但简单的栅极脉冲驱动电路，为快速开关HPA提供了另一种方法，同时消除了与漏极开关有关的电路。实测切换时间小于200 ns，相对于1 s的目标还有一些裕量。其他特性包括：解决器件间差异的偏置编程能力，保护HPA免受栅极电压增加影响的栅极箝位，以及用于优化脉冲上升时间的过冲补偿。

典型漏极脉冲配置

通过漏极控制开关HPA的典型配置如图1所示。一个串联FET开启输入HPA的高电压。控制电路需要将逻辑电平脉冲转换为更高电压以使串联FET导通。

此配置的难点包括：

●大电流的切换要求从大容量电容到HPA漏极引脚的路径是一条低电感路径。

●关闭时，漏极电容保有电荷，需要额外的放电路径。这是通过额外的FET Q2来实现的，对控制电路的约束随之增加：Q1和Q2绝不能同时使能。

●很多情况下，串联FET是N沟道器件。这要求控制电路产生一个高于HPA漏极电压的电压才能开启。

控制电路的设计方法已是众所周知且行之有效。然而，相控阵系统不断期望集成封装并降低SWaP，因此希望消除上述难点。实际上，人们的愿望是完全消除漏极控制电路。

一、栅极脉冲供电方式的原理

栅极脉冲供电方式是一种新型的功率放大器供电方式。在这种方式中，栅级直流电压进行开关控制电路转变成脉冲电压后再加在放大器栅极。通过对栅极电压的开与断，使放大器的工作状态在导通与关断之间进行周期性的切换。当栅压值为典型静态工作点电压时，放大器工作;当栅级电压为夹断电压时，放大器关闭。栅极脉冲供电方式控制的是电压，因此可以实现高效的功率放大器控制。

二、栅极脉冲在脉冲雷达中的应用

在脉冲雷达应用中，从发射到接收操作的过渡期间需要快速开启/关闭高功率放大器(HPA)。传统的漏极控制需要在28V至50V的电压下切换大电流，而栅极脉冲电路可以将逻辑电平信号转换成合适的GaN HPA栅极控制信号，从而实现高效控制功率放大器。此外，栅极脉冲电路还可以实现功率放大器的高速开关，从而提高脉冲雷达的性能。

三、栅极脉冲的优势

相比传统的漏极控制方式，栅极脉冲具有以下优势：

控制精度高：栅极脉冲控制的是电压，可以实现高精度的功率放大器控制。

响应速度快：栅极脉冲电路可以实现功率放大器的高速开关，从而提高脉冲雷达的性能。

适用范围广：栅极脉冲电路可以将逻辑电平信号转换成合适的GaN HPA栅极控制信号，适用于多种场景。

‌栅极脉冲电路‌是一种用于控制场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电路，其主要功能是将控制器输出的低电压信号转换为高电压、高电流的脉冲，从而控制这些半导体开关的操作。栅极脉冲电路在电力电子系统中有着广泛的应用，特别是在需要快速开关和高功率处理的应用中。

栅极脉冲电路的基本原理

栅极脉冲电路通过将逻辑电平信号转换为适合MOSFET或IGBT栅极控制的脉冲信号。它需要一个负电压来设置适当的偏置电流，以及一个更大的负电压来关闭器件。因此，电路应接受正逻辑电平输入并转换为两个负电压之间的脉冲。此外，栅极脉冲电路还需要克服栅极电容的影响，提供急速的上升时间，并尽量减少过冲‌12。

栅极脉冲电路的应用场景

栅极脉冲电路在电力电子系统中有着广泛的应用，特别是在以下场景中：

‌相控阵天线‌：在相控阵天线开发中，栅极脉冲电路用于快速开启和关闭高功率放大器(HPA)，以满足低尺寸、重量和功耗(SWaP)的要求‌1。

‌电力转换系统‌：在电力转换系统中，栅极脉冲电路用于控制MOSFET或IGBT的开关，实现高效的能量转换和功率控制‌2。

栅极脉冲电路的设计考虑因素

设计栅极脉冲电路时需要考虑以下因素：

‌偏置电压‌：偏置电压的小幅增加可能导致器件电流显著增加，因此电路需要非常稳定，并有一个箝位器来防止受损‌1。

‌器件差异‌：不同器件的最佳偏置电压可能有所不同，因此希望系统内可编程栅极偏置特性‌1。

‌开关速度和损耗‌：驱动电阻(如R1和R2)会影响开关速度和损耗，需要合理选择以优化性能‌34。

通过理解这些基本原理和应用场景，可以更好地设计和应用栅极脉冲电路，以满足各种电力电子系统的需求。

栅极脉冲是一种新型的功率放大器供电方式，可以实现高效的功率放大器控制。在脉冲雷达等场景下，栅极脉冲电路可以实现功率放大器的高速开关，从而提高脉冲雷达的性能。随着技术的不断发展，相信栅极脉冲将会在更多的领域得到应用。