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

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.

Рис. 1. Зависимость выходной импульсной мощности от входной 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

Рис. 3. Зависимость выходной импульсной мощности от входной 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

Рис. 5. Зависимость выходной импульсной мощности от входной 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

Рис. 7. Зависимость выходной импульсной мощности от входной 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

Рис. 9. Зависимость выходной импульсной мощности от входной 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

Рис. 11. Зависимость выходной импульсной мощности от входной 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.

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)

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)

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)

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)

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)

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.

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.

Рис. 19. Передаточные вольтамперные характеристики

Рис. 20. Выходные вольтамперные характеристики

Рис. 21. Выходная вольтамперная характеристика в режиме обратной проводимости

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.