Mehr Leistungsfähigkeit auf Systemebene
1600-W-Transistoren für das L-Band
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Kompakte Zwei-Transistor-Lösung
Ein kompaktes Design ist möglich, wenn der Systemingenieur die zwei Single-Ended-Transistoren nutzt, um zwei separate Ausgänge in einem bestehenden Rack-Verstärker verfügbar zu machen (Bild 4). Dadurch wird ein Rack-&Stack-Verstärker eliminiert.
Die Systemabmessungen und das Gewicht können aufgrund der kompakten Abmessungen des Single-Ended-Transistors weiter reduziert werden – im Fall der Lösung von Microsemi auf nur 3,404 cm x 0,978 cm (1,34 Zoll x 0,385 Zoll). Eine Single-Ended Transistor-Applikationslösung kann in den heutigen kompakten Gehäusen ein- und ausgangsseitige Anpassungsschaltkreise sowie Vorspannungsschaltungen enthalten. Spezielle Designtechniken werden verwendet, um die Abmessungen des Kühlkörpers und des Metallsubstrats zu verringern.
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Dazu gehört, dass sich höhere Ausgangimpedanzen einstellen lassen müssen, um die Anpassungsschaltkreise entsprechend der Transistorbreite neu dimensionieren zu können. Gleichzeitig gewährleistet die Verwendung von Impedanz-Transformationstechnik, dass der Transistor kurzgeschlossen werden kann.
Bei den Bausteinen von Microsemi ist der Applikationsschaltkreis auf 20-mil-RO6010-Material realisiert und misst weniger als 8,98 cm x 5,08 cm (3,5 Zoll x 2 Zoll) (Bild 5).
Diese Konfiguration vereinfacht außerdem das Vorspannungskonzept. Dies führt sowohl zu weniger Komponenten als auch zu einer höheren Leistungsverstärkung und einem höheren Wirkungsgrad – und das sogar bei Mode-S-ELM-Signalen.
Neben Einsparungen bei Abmessungen, Gewicht und Leistungsaufnahme übertreffen GaN-Transistoren in kompakten Single-Ended-Gehäusen Technologien wie zum Beispiel LDMOS und GaN-auf-Silizium in punkto Leistungsdichte, thermischem Verhalten und Wirkungsgrad.
Damit sind sie beispielsweise in der Lage, Luftfahrtsysteme kommender Generationen zu adressieren.
Die wichtigsten Leistungsmerkmale
Die Tabellen 1 und 2 fassen die Leistungsmerkmale von Designs mit 1600-W-
Single-Ended-Transistoren zusammen. PAE-Drain-Wirkungsgrade von über 70 % gestatten es, die Bausteinerwärmung zu reduzieren und ermöglichen, dass der Transistor unter typischen System-Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeitet. Dadurch ergeben sich höhere Leistungspegel und ein geringer Impulsabfall (Pulse Droop), selbst in Applikationen auf Mode-S-ELM-Basis. Die Transistoren zeigen außerdem hohe Werte für Puls-zu-Puls-Stabilität, Linearität und Impulsabfall.
Um die Leistungsfähigkeit zu maximieren, ist es essenziell, den höchstmöglichen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten.
Denn daraus resultieren die niedrigen Arbeitskanal-Temperaturen, die für eine hohe Applikationszuverlässigkeit und die an die Lebensdauer von Hochleistungssystemen gestellten Anforderungen erforderlich sind.
Zum Feststellen der realen Leistungsfähigkeit werden sowohl thermische Messungen der Durchschnittstemperatur als auch der Transiententemperatur durchgeführt.
Dazu verwendet Microsemi Wärmebild-Messinstrumente von QFI, die durch thermische Modellierung und Messungen zur Extraktion der tatsächlichen Kanaltemperatur ergänzt werden (Bild 6).
Wärmebildmessungen
Bei Single-Ended-Transistoren muss das thermische Verhalten zwischen den oberen und den unteren Transistor-Arrays im Gehäuse ausgeglichen sein, wie die thermischen Charakterisierungen in Bild 7 und Bild 8 zeigen. In diesem Beispiel beträgt die Temperaturdifferenz zwischen den oberen und unteren Transistor-Arrays weniger als 5 °C, was daran liegt, dass jede Zelle in Amplitude und Phase angesteuert wird. Dies resultiert schließlich in einem optimierten Verhältnis aus Effizienz und Leistungsfähigkeit.
Die Autoren
Damian McCann
hat die Position des Director of Engineering in der Discrete Products Group bei Microsemi inne. Er kann auf langjährige Erfahrung in der Entwicklung, im Marketing und im Vertrieb von Wireless-Produkten zurückblicken.
Dr. Cang Nguyen
ist Design Engineer in der Discrete Products Group bei Microsemi. Er arbeitet bereits seit mehr als 15 Jahren in der Halbleiterentwicklung für Luft- und Raumfahrtanwendungen.
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