Выходные вольтамперные характеристики

600- и 1200-Вт СВЧ GaN-транзисторы L-диапазона частот от компании АО «ПКК Миландр»

№ 2’2021
PDF версия
В статье приведены результаты измерения 600 и 1200 Вт GaN-транзисторов в L диапазоне частот производства АО «ПКК Миландр». В настоящий момент это одни из самых мощных СВЧ GaN-транзисторов, работающих в данном частотном диапазоне. Создание подобных транзисторов является существенным шагом вперед для отечественных компаний. Также в статье представлены перспективные разработки АО «ПКК Миландр» в части СВЧ GaN HEMT для широкого диапазона частот и силовых GaN-транзисторов.

Введение

Развитие технологий создания дискретных приборов и монолитных интегральных схем, в частности GaN HEMT-технологии, позволило разработать и создать изделия, по своим характеристикам значительно превосходящие существующие приборы на основе кремния. Это стало возможным благодаря уникальным свойствам GaN как широкозонного материала. Большая удельная выходная мощность на периметр затвора способствует появлению в микроэлектронной отрасли приборов на основе GaN HEMT со значениями выходной импульсной мощности более 1200 Вт для L‑диапазона, при этом значения коэффициента полезного действия стока составляет не менее 65%.

При работе с СВЧ GaN-транзисторами необходимо иметь в виду: это приборы, работающие в обедненном режиме и для их нормальной работы необходимо отрицательное смещение. Вот почему при включении приборов данного класса потребителям особенно важно помнить о правильной последовательности подачи напряжения смещения и питания на такой транзистор.

 

Исследования отечественных СВЧ GaN-транзисторов L‑диапазона

Для проведения оценки энергетических параметров 600‑Вт транзистора производства АО «ПКК Миландр» были проведены Load & Pull измерения в L‑диапазоне частот. Были выбраны следующие условия измерения: напряжение питания 50 В, ток покоя 200 мА. Полученные параметры на большом сигнале для разных частот представлены на рис. 1–12.

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,03 ГГц

Рис. 1. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,03 ГГц

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,03 ГГц

Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,03 ГГц

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,09 ГГц

Рис. 3. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,09 ГГц

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,09 ГГц

Рис. 4. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,09 ГГц

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,42 ГГц

Рис. 5. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,42 ГГц

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,42 ГГц

Рис. 6. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,42 ГГц

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,465 ГГц

Рис. 7. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,465 ГГц

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,465 ГГц

Рис. 8. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,465 ГГц

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,53 ГГц

Рис. 9. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,53 ГГц

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,53 ГГц

Рис. 10. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,53 ГГц

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,55 ГГц

Рис. 11. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,55 ГГц

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,55 ГГц

Рис. 12. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 600-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,55 ГГц

Полученные результаты измерения (РВЫХ_И ≥ 600 Вт, КУР ≥ 18,5 дБ, ηС ≥ 65%) подтверждают, что изготовленные образцы СВЧ GaN-транзисторов находятся на уровне лучших мировых аналогов от Microsemi, Integra, Wolfspeed, Qorvo [1, 2, 3, 4].

После получения положительных результатов измерений 600‑Вт СВЧ GaN-транзисторов для L‑диапазона частот была осуществлена сборка и измерение 1200‑Вт транзисторов. Измерения энергетических параметров для одной половины балансного корпуса приведены на рис. 13–18.

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 1200 Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,03 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Рис. 13. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 1200 Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,03 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 1200 Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,03 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Рис. 14. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 1200 Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,03 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 1200-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,09 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Рис. 15. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 1200-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,09 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 1200-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,09 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Рис. 16. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 1200-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,09 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 1200-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,465 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Рис. 17. Зависимость выходной импульсной мощности от входной импульсной мощности 1200-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,465 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 1200-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,465 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Рис. 18. Зависимость коэффициента усиления по мощности от выходной импульсной мощности 1200-Вт СВЧ GaN-транзистора на частоте 1,465 ГГц (на рисунке приведены данные для одной половины балансного корпуса)

Также для оценки СВЧ GaN-транзисторов, разработанных для L‑диапазона частот, были проведены измерения 200‑Вт транзистора. В таблице обобщены данные измерений 200‑Вт СВЧ GaN-транзистора, полученные в L‑диапазоне.

Таблица. Результаты измерений 200-Вт СВЧ GaN-транзистора в L-диапазоне

Тестовая частота, ГГц

Выходная мощность, Вт

Коэффициент усиления по мощности, дБ

Коэффициент полезного действия стока, %

Выходная мощность в насыщении, Вт

f = 1,03

РВЫХ_И(1дБ) = 208,9

КУР(1дБ) = 23,9

ηС(1дБ) = 62,4

РВЫХ_И(НАС) = 294

f = 1,09

РВЫХ_И(1дБ) = 206,5

КУР(1дБ) = 23,4

ηС(1дБ) = 64

РВЫХ_И(НАС) = 288

f = 1,42

РВЫХ_И(1дБ) = 208,9

КУР(1дБ) = 21,3

ηС(1дБ) = 65,4

РВЫХ_И(НАС) = 288

f = 1,465

РВЫХ_И(1дБ) = 213,8

КУР(1дБ) = 20,6

ηС(1дБ) = 67,9

РВЫХ_И(НАС) = 257

f = 1,53

РВЫХ_И(1дБ) = 199,5

КУР(1дБ) = 20,7

ηС(1дБ) = 65,4

РВЫХ_И(НАС) = 262

f = 1,55

РВЫХ_И(1дБ) = 204,2

КУР(1дБ) = 20,6

ηС(1дБ) = 64,7

РВЫХ_И(НАС) = 274

Полученные значения РВЫХ_И ≥ 200 Вт, КУР ≥ 20 дБ, ηС ≥ 64% при напряжении питания 50 В подтверждают, что разработанный транзистор соответствует лучшим мировым аналогам и может рассматриваться отечественными компаниями в качестве замены импортных транзисторов.

 

Перспективные разработки СВЧ GaN-транзисторов

В рамках проводимой внутренней работы ведется создание целой линейки СВЧ GaN HEMT для L‑, S‑ и C‑диапазонов частот [5]. Уже сейчас разработаны и изготовлены усилители мощности на основе GaN-транзисторов для S‑диапазона [6]. По своим техническим характеристикам эти транзисторы соответствуют лучшим мировым аналогам, что позволит российским компаниям перейти на отечественную элементную компонентную базу.

Необходимость в создании такого класса изделий СВЧ твердотельной электроники вызвана текущими реалиями при построении схемотехнических решений для мощных усилительных трактов передающей аппаратуры L‑, S‑ и C‑, X‑диапазонов. Мощные импульсные СВЧ GaN-транзисторы позволят добиться максимальной эксплуатационной эффективности аппаратуры, сокращения массогабаритных характеристик, уменьшения сроков ее разработки и сроков поставок готовых функциональных решений и изделий.

Видя, как активно развивается рынок силовой электроники, мы решили не отставать и приступили также к разработке и силовых GaN-транзисторов. В настоящее время активно ведется разработка нормально-закрытых силовых GaN-транзисторов — аналогов транзисторов от ведущих зарубежных компаний EPC, GaN Power, GaN System и других. Создается линейка транзисторов с максимально допустимым напряжением сток-исток 60, 200–250 и 650 В. Получены первые тестовые образцы изделий. На рисунках 19–22 представлены типовые вольтамперные характеристики MILGAN211 — силового GaN-транзистора с максимальным напряжением сток-исток 250 В и максимальным импульсным током сток-исток 35 А.

Передаточные вольтамперные характеристики

Рис. 19. Передаточные вольтамперные характеристики

Выходные вольтамперные характеристики

Рис. 20. Выходные вольтамперные характеристики

Выходная вольтамперная характеристика в режиме обратной проводимости

Рис. 21. Выходная вольтамперная характеристика в режиме обратной проводимости

Зависимость сопротивления сток-исток RСИ от напряжения затвор-исток UЗИ

Рис. 22. Зависимость сопротивления сток-исток RСИ от напряжения затвор-исток UЗИ

 

Выводы

Полученные результаты измерений СВЧ- и силовых GaN-транзисторов АО «ПКК Миландр» позволяют говорить, что выбранное направление в топологии транзисторных кристаллов помогает получить изделия, не уступающие по своим параметрам лучшим мировым аналогам. Продолжаются работы по расширению линейки СВЧ GaN-транзисторов. Получен необходимый технологический задел для СВЧ GaN HEMT и силовых GaN-транзисторов.

Наша компания продолжает успешные работы по расширению линейки СВЧ GaN-транзисторов для различного диапазона частот и разных режимов работы, а также работы по созданию силовых GaN-транзисторов и специализированных драйверов управления затвором.

Литература
  1. microsemi.com/document-portal/doc_view/136410‑gan-transistor-selection-guide
  2. integratech.com/rf-gan-transistors
  3. wolfspeed.com/products/rf/l‑band
  4. qorvo.com/products/discrete-transistors/gan-hemts
  5. Актуальные разработки АО «ПКК Миландр» в области СВЧ- и силовых транзисторов на основе широкозонных полупроводников//2020. Т. 13. № S4 (99).
  6. Тарасов, С. Колесников Д., Глушков Г., Полунин М., Рябыкин С., Ткачев А. Возможна ли замена импортных СВЧ GаN-транзисторов от известных мировых производителей на отечественные аналоги?//Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 10.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.