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GaN——如何让RF功率放大器带宽和功率突飞猛进

2018年03月13日 19:14 次阅读

电信行业不断需要更高的数据速率,工业系统不断需要更高的分辨率,这助推了满足这些需求的电子设备工作频率的不断上升。许多系统可以在较宽的频谱中工作,新设计通常也会有进一步增加带宽的要求。在许多这样的系统中,人们倾向于使用一个涵盖所有频带的信号链。半导体技术的进步使高功率宽带放大器功能突飞猛进。GaN革命席卷了整个行业,并且可以让MMIC在几十种带宽下生成1 W以上的功率,因此,这个过去由行波管主导的领域已经开始让步于半导体设备。更短栅极长度的GaAs和GaN晶体管的出现以及电路设计技术的升级,衍生了一些可以轻松操作毫米波频率的新设备,开启了几十年前难以想象的新应用。本文将简要描述支持这些发展的半导体技术的状态、实现最佳性能的电路设计考虑因素,还列举了展现当今技术的GaAs和GaN宽带功率放大器(PA)

GaN——如何让RF功率放大器带宽和功率突飞猛进

过去几年,行波管(TWT)放大器一直将更高功率电子设备作为许多这类系统中的输出功率放大器级。TWT拥有一些不错的特性,包括千瓦级功率、倍频程带宽或者甚至多倍频程带宽操作、高效回退操作以及良好的温度稳定性。TWT也有一些缺陷,其中包括较差的长期可靠性、较低效率,并且需要非常高的电压(大约1 kV或以上)才能工作。关于半导体IC的长期稳定性,这些年电子设备一直向前发展,首当其冲的就是GaAs。在可能的情况下,许多系统工程师一直努力组合多个GaAs IC,生成大输出功率。整个公司都完全建立在技术组合和有效实施的基础之上。进而孕育了许多不同类型的组合技术,如空间组合、企业组合等。这些组合技术全都面临着相同的命运——组合造成了损耗,幸运的是,并不一定要使用这些组合技术。这激励我们使用高功率电子设备开始设计。提高功率放大器RF功率的最简单的方式就是增加电压,这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术,就会发现功率通常会如何随着高工作电压IC技术而提高。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压(2V至3V),但其集成优势非常有吸引力。GaAs拥有微波频率和5 V至7 V的工作电压,多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基LDMOS技术的工作电压为28 V,已经在电信领域使用了许多年,但其主要在4GHz以下频率发挥作用,因此在宽带应用中的使用并不广泛。新兴GaN技术的工作电压为28V至50V,拥有低损耗、高热传导基板(如碳化硅,SiC),开启了一系列全新的可能应用。如今,硅基GaN技术局限于6 GHz以下工作频率。硅基板相关的RF损耗及其相对SiC的较低热传导性能则抵消了增益、效率和随频率增加的功率优势。图1对比了不同半导体技术并显示了其相互比较情况。

GaN——如何让RF功率放大器带宽和功率突飞猛进

图1. 微波频率范围功率电子设备的工艺技术对比。

GaN——如何让RF功率放大器带宽和功率突飞猛进

GaN——如何让RF功率放大器带宽和功率突飞猛进

图2. 多级GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比较。

兰格耦合

实现宽带宽设计的一种方法就是在RF输入和输出端使用兰格耦合器实现均衡设计,如图3所示。这里的回波损耗最终取决于耦合器设计,因为这将更容易优化增益和频率功率响应,并且无需优化回波损耗。即便是在使用兰格耦合器的情况下,也更难实现倍频程带宽,但却可以让设计实现不错的回波损耗。

图3. 采用兰格耦合器的均衡放大器。

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英飞凌:GaN功率元件前景虽好,但采用为时尚早

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发表于 2014-01-22 09:31 589次阅读
英飞凌:GaN功率元件前景虽好,但采用为时尚早

导入Cascode结构 GaN FET打造高效率...

射频(RF)应用的氮化镓(GaN)电晶体已面世多年,最近业界的重点开发面向为电力电子应用的经济型高性...

发表于 2014-01-10 11:18 966次阅读
导入Cascode结构 GaN FET打造高效率...

新一代功率半导体开发竞争激烈,亚洲企业纷纷涉足

 与现在的Si功率半导体相比,SiC及GaN等新一代功率半导体有望利用逆变器和变流器等大幅提高效率并...

发表于 2013-12-30 09:15 474次阅读
新一代功率半导体开发竞争激烈,亚洲企业纷纷涉足

明星企业齐聚PEC电力电子,共讨行业发展新趋势

由爱戴爱集团主办,《Bodo’s功率系统》协办的PEC中国国际电力电子峰会暨产品展示会—苏州站将于1...

发表于 2013-10-15 17:21 367次阅读
明星企业齐聚PEC电力电子,共讨行业发展新趋势

利用SiC和GaN实现AC-AC转换器薄型化

 最近,采用可大幅削减电力损耗的新一代功率元件的试制示例接连出现。此次邀请了安川电机,针对采用SiC...

发表于 2013-09-22 10:35 678次阅读
利用SiC和GaN实现AC-AC转换器薄型化

PEC-电力电子带你看SiC和GaN技术与发展展...

据权威媒体分析,SiC和GaN器件将大举进入电力电子市场,预计到2020年,SiC和GaN功率器件将...

发表于 2013-09-18 10:13 647次阅读
PEC-电力电子带你看SiC和GaN技术与发展展...

富士通半导体推出耐压150V的GaN功率器件产品

今天,富士通半导体宣布推出基于硅衬底的氮化镓(GaN)功率器件芯片MB51T008A,该芯片可耐压1...

发表于 2013-07-23 15:00 374次阅读
富士通半导体推出耐压150V的GaN功率器件产品

功率半导体观察:SiC和GaN飞速发展的时代

 “PCIM Europe”是功率器件、逆变器、转换器等功率电子产品的展会。在市场要求降低耗电、减轻...

发表于 2013-07-09 09:46 1604次阅读
功率半导体观察:SiC和GaN飞速发展的时代

飞思卡尔提供多款新型LDMOS和GaN功率晶体管

日前,射频功率技术领先供应商飞思卡尔宣布为其Airfast RF功率解决方案推出最新成员:包括三个L...

发表于 2013-06-09 10:18 729次阅读
飞思卡尔提供多款新型LDMOS和GaN功率晶体管

大尺寸磊晶技术突破 GaN-on-Si基板破裂问...

近年来氮化镓(GaN)系列化合物半导体材料已被证实极具潜力应用于液晶显示器(LCD)之背光模组、光学...

发表于 2013-06-06 13:39 828次阅读
大尺寸磊晶技术突破 GaN-on-Si基板破裂问...

未来十年将是GaN和SiC功率半导体市场,将以1...

在未来十年,受电源、光伏(PV)逆变器以及工业电动机的需求驱动,新兴的碳化硅(SiC)和氮化镓(Ga...

发表于 2013-04-26 10:10 709次阅读
未来十年将是GaN和SiC功率半导体市场,将以1...

日企聚焦GaN功率元件,耐压600V产品成主流

Si之后的新一代功率半导体材料的开发在日本愈发活跃。进入2013年以后,日本各大企业相继发布了采用S...

发表于 2013-04-19 09:08 812次阅读
日企聚焦GaN功率元件,耐压600V产品成主流

功率半导体的革命:SiC与GaN的共舞

功率半导体”多被用于转换器及逆变器等电力转换器进行电力控制。目前,功率半导体材料正迎来材料更新换代,...

发表于 2013-03-07 14:43 1898次阅读
功率半导体的革命:SiC与GaN的共舞

首尔半导体推出利用GaN晶体非极性面的白色LED

 韩国首尔半导体开发出了在1mm见方蓝色LED芯片上组合荧光材料,实现了光通量为500lm左右的白色...

发表于 2013-01-23 09:14 322次阅读
首尔半导体推出利用GaN晶体非极性面的白色LED

新一代功率器件将在2013年迎来技术大挑战

SiC和GaN作为新一代的半导体功率器件,由于其开关高速、高频工作和高温工作灯特点,受到了广大关注。...

发表于 2013-01-21 09:03 375次阅读
新一代功率器件将在2013年迎来技术大挑战

GaN衬底 中国LED企业与国外厂家同时起跑

 目前市场上LED用到的衬底材料有蓝宝石、碳化硅SiC、硅Si、氧化锌 ZnO、 以及氮化镓GaN,...

发表于 2012-11-28 09:22 880次阅读
GaN衬底 中国LED企业与国外厂家同时起跑