CN107306119B - 用于氮化镓GaN器件的电路系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例提供了一种用于氮化镓GaN器件的电路系统和和方法。该电路系统包括：负偏压电路，被配置为提供GaN器件的栅极负偏压；漏极开关电路，被配置为接通或断开GaN器件的漏极正电压；以及控制电路，被配置为基于负偏压的提供来控制漏极开关电路，以使得漏极正电压在栅极电压达到负偏压之后接通并且在负偏压完全消失之前断开。

Description

用于氮化镓GaN器件的电路系统和方法
技术领域
本公开的实施例一般性地涉及与晶体管有关的电路和操作，并且更特别地涉及用于氮化镓GaN器件的电路系统和方法。
背景技术
氮化镓GaN是一种新型的射频RF功率晶体管，它具有许多优点。但是，GaN RF晶体管需要负的偏置电压和高的漏极电压。为了使GaN RF功率放大器安全地工作，需要解决如下的一些问题。
第一，在加电时，需要先向偏置电路施加准确的负偏置电压，然后向GaN功率晶体管的漏极施加高的正电压,然后在加射频信号，否则GaN功率晶体管将在加电阶段被损坏。第二，在关电时，需要首先断开RF信号，然后断开GaN功率晶体管漏极的高正电压，最后断开负的偏置电压。否则，GaN功率晶体管将在关电阶段被损坏。第三，负的偏置电压需要提供足够大的电流，否则当GaN功率晶体管被过驱时将被损坏，功率放大器的过驱在移动通信环境中经常发生。第四，漏极的高正电压的接通速度应当适当地慢，否则接通GaN功率晶体管的浪涌电流将非常大，如果开关多次则将毁坏GaN功率晶体管；另一方面，在关断功率放大器时,漏极的高正电压的断开速度应当足够快，否则，在关断阶段，如果开关多次,GaN功率晶体管也容易损坏。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述技术问题，本公开的实施例的目的在于提供一种用于氮化镓GaN器件的电路系统和方法，以解决现有技术中存在的至少一个上述技术问题。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于氮化镓GaN器件的电 路的保护系统。该电路系统包括：负偏压电路，被配置为提供GaN器件的栅极负偏压；漏极开关电路，被配置为接通或断开GaN器件的漏极正电压；以及控制电路，被配置为基于负偏压的提供来控制漏极开关电路，以使得漏极正电压在栅极电压达到负偏压之后接通并且在负偏压完全消失之前断开。
在一些实施例中，控制电路可以进一步被配置为，当负偏压电路的输出电压从零电压下降到阈值电压时接通漏极开关电路，并且当负偏压电路的输出电压从负偏压上升到阈值电压时断开漏极开关电路，该阈值电压在负偏压与零电压之间。在一些实施例中，控制电路可以包括以下各项中的至少一项：电阻分压电路、比较器电路、以及齐纳二极管电路。在一些实施例中，当控制电路包括比较器电路时，可以通过编程代码来调整阈值电压。
在一些实施例中，该电路系统可以进一步包括：电压保持电路，被配置为当负偏压电路的输出电压从负偏压开始上升时，继续向GaN器件的栅极保持负偏压一段预定时间。在一些实施例中，电压保持电路可以包括具有预定放电时间常数的电容器电路。在一些实施例中，一段预定时间可以是1至2毫秒。
在一些实施例中，负偏压电路可以包括负开关电源升降压电路，负开关电源升降压电路可以将电源电压转换为负偏压，并且可以提供GaN器件工作所需要的电流。在一些实施例中，该电流可以为300至500毫安。
在一些实施例中，漏极开关电路可以进一步被配置为，在接通时以第一预定速度缓慢地从零电压上升到漏极正电压，并且在断开时以第二预定速度快速地从漏极正电压下降到零电压。在一些实施例中，漏极开关电路可以包括用于使升压降速的电容器和使得电容器快速放电的开关。
在一些实施例中，该电路系统可以进一步包括：偏压开关电路，连接在负偏压电路与GaN器件的栅极之间，并且被配置为根据控制命令将负偏压电路的输出电压施加到GaN器件的栅极。在一些实施 例中，该电路系统可以进一步包括：具有预定大电容值的大电容器，连接在GaN器件的漏极与地之间。
在一些实施例中，GaN器件可以作为GaN射频功率放大器进行工作。在一些实施例中，负偏压可以在-5伏到-10伏之间是可调整的，并且漏极正电压可以为48伏。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于氮化镓GaN器件的方法。该方法包括：通过从零电压开始降压到负偏压来向GaN器件的栅极提供负偏压；在降压过程中向GaN器件的漏极提供正电压；通过从负偏压开始升压到零电压来断开GaN器件的栅极的负偏压；以及在升压过程中断开GaN器件的漏极的正电压。
在一些实施例中，在降压过程中向GaN器件的漏极提供正电压可以包括：从零电压下降到阈值电压时向GaN器件的漏极提供正电压，其中阈值电压在负偏压与零电压之间。在一些实施例中，在升压过程中断开GaN器件的漏极的正电压可以包括：从负偏压上升到阈值电压时断开GaN器件的漏极的正电压，其中阈值电压在负偏压与零电压之间。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：通过电阻分压电路、比较器电路、以及齐纳二极管电路来提供阈值电压中的至少一项。在一些实施例中，该方法可以进一步包括：当通过比较器电路来提供阈值电压时，通过编程代码来调整阈值电压。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：当负偏压开始上升时，继续向GaN器件的栅极保持负偏压一段预定时间。在一些实施例中，继续向GaN器件的栅极保持负偏压一段预定时间可以包括：通过具有预定放电时间常数的电容器电路来保持负偏压。在一些实施例中，一段预定时间可以是1至2毫秒。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：通过负开关电源升降压电路来实现降压和升压，并且提供GaN器件工作所需要的电流。在一些实施例中，该电流可以为300至500毫安。
在一些实施例中，在降压过程中向GaN器件的漏极提供正电压 可以包括：通过以第一预定速度缓慢地从零电压上升到漏极正电压来向GaN器件的漏极提供正电压，并且通过以第二预定速度快速地从漏极正电压下降到零电压来断开GaN器件的漏极的正电压。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：通过使升压降速的电容器来缓慢地从零电压上升到漏极正电压，并且通过使得电容器快速放电的开关来快速地从漏极正电压下降到零电压。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：根据控制命令将负偏压施加到GaN器件的栅极。在一些实施例中，该方法可以进一步包括：使用具有预定大电容值的大电容器作为GaN器件的解耦电容器。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括：将GaN器件作为GaN射频功率放大器。在一些实施例中，负偏压在-5伏到-10伏之间是可调整的，并且漏极正电压可以为48伏。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得容易理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例，其中：
图1示意性地示出了根据现有技术的一种用于GaN射频功率放大器的电路系统。
图2示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的框图。
图3示意性地示出了根据本公开的另一实施例的用于GaN器件的电路系统的框图。
图4示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的控制电路。
图5示意性地示出了根据本公开的实施例的图4中的控制电路的工作波形。
图6示意性地示出了根据本公开的另一实施例的用于GaN器件的电路系统的控制电路。
图7示意性地示出了根据本公开的实施例的图6中的控制电路的工作波形。
图8示意性地示出了根据本公开的又一实施例的用于GaN器件的电路系统的控制电路。
图9示意性地示出了根据本公开的实施例的图8中的控制电路的工作波形。
图10示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的负偏压电路的工作波形。
图11示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的负偏压电路。
图12示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的电压保持电路。
图13示意性地示出了根据本公开的另一实施例的用于GaN器件的电路系统的电压保持电路。
图14示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图中所示出的若干示例性实施例来描述本公开的原理和精神。应当理解，描述这些具体的实施例仅是为了使本领域的技术人员能够更好地理解并实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。
图1示意性地示出了根据现有技术的一种用于GaN射频功率放大器的电路系统100。
尽管电路系统100可以在一般场合使GaN器件正常地工作，但是电路系统100在实际应用中存在以下的缺点。第一，电路系统100使用开关电容器负电源电路作为偏置电路，其输出电流小，这不能满足某些技术场景的要求，尤其是在高RF功率应用的场景中。理论上，GaN器件的栅极偏置不消耗电流，但是在工程实践中会消耗一定的电 流并且电流随着功率放大器PA的输出功率的增加而增加，所以开关电容器稳压器不能被使用在高功率放大器领域中。第二，在电路系统100中，不容易调节GaN RF功率放大器的主电源的接通的阈值，因为负电压就绪指示是开关电容器的内部IC。负电压就绪指示与实际的负偏置电压之间的关系并不准确。在实际的工程中，需要可调节的负电压就绪指示以及负偏置电压就绪的准确阈值指示。第三，电路系统100中的开关电容器负电路的温度漂移较大，不能满足高功率放大器的完全温度要求。第四，电路系统100接通速度和断开速度不能根据实际的工程要求进行控制。
因此，鉴于前文所描述的对GaN器件的栅极偏置电路和漏极高电压的特殊时序要求，以及现有技术的相关电路中存在的不足之处，本公开的实施例的提供了一种用于氮化镓GaN器件的电路系统，解决了现有技术中存在的这些技术问题中的至少一个技术问题。
图2示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统200的框图。本领域的技术人员可以理解，图2中仅示出了电路系统200中的与本公开紧密相关的单元或组件，在具体的实践中，电路系统200可以包括使其能够正常操作的其他功能单元或组件。除了图2中所描绘的连接之外，图2中所示出的各个单元或组件之间还可以存在相互之间或者与其他单元或组件的其他连接关系，但是出于简洁的考虑，图2中并没有描绘出这些连接关系。
如图2中所示出的，用于氮化镓GaN器件204的电路系统200包括：负偏压电路201、漏极开关电路202、以及控制电路203。负偏压电路201向GaN器件204的栅极2041提供正常工作所需要的负偏压。漏极正电压205通过漏极开关电路202连接到GaN器件204的漏极2042。RF输入206和RF输出207表示GaN器件204可以正在对RF信号进行功率放大。GaN器件204的源极2043可以接地。
应当理解，此处对GaN器件204的RF工作状态的描绘仅为可以应用本公开的实施例的一种示例场景，本公开的实施例也可以使用在GaN器件的其他应用场合，本公开的范围不受该描绘的限制。
根据本公开内容的一些实施例，负偏压电路201被配置为提供GaN器件204的栅极负偏压。漏极开关电路202被配置为接通或断开GaN器件204的漏极正电压205。控制电路203被配置为基于负偏压的提供来控制漏极开关电路202，以使得漏极正电压在栅极电压达到负偏压之后接通并且在负偏压完全消失之前断开。通过这种方式，保护了GaN器件204在加电和关电期间不会被损坏。
本领域的技术人员可以理解，存在各种技术手段来实现控制电路203的上述控制功能。在一些实施例中，控制电路203可以进一步被配置为，当负偏压电路201的输出电压从零电压下降到阈值电压时接通漏极开关电路202，并且当负偏压电路201的输出电压从负偏压上升到阈值电压时断开漏极开关电路202，其中该阈值电压在负偏压与零电压之间。在后文中，将参考图4-9来具体地描述控制电路203的各种具体的实施例。在这些实施例中，控制电路203可以包括以下各项中的至少一项：电阻分压电路、比较器电路、以及齐纳二极管电路，其中当控制电路203包括比较器电路时，可以通过编程代码来调整阈值电压。
图3示意性地示出了根据本公开的另一实施例的用于GaN器件的电路系统300的框图。本领域的技术人员可以理解，图3中仅示出了电路系统300中的与本公开紧密相关的单元或组件，在具体的实践中，电路系统300可以包括使其能够正常操作的其他功能单元或组件。除了图3中所描绘的连接之外，图3中所示出的各个单元或组件之间还可以存在相互之间或者与其他单元或组件的其他连接关系，但是出于简洁的考虑，图3中并没有描绘出这些连接关系。
如图3中所示出的，用于氮化镓GaN器件304的电路系统300包括：负偏压电路301、漏极开关电路302、以及控制电路303。它们的基本功能与在图2中相类似，此处不再赘述。电路系统300与电路系统200的不同之处在于，其还包括电压保持电路305、偏压开关电路306、以及大电容器307。大电容器307具有预定的大电容值，该预定的大电容值可以根据具体的技术环境和设计要求来进行选取。
在一些实施例中，电压保持电路305可以被配置为当负偏压电路301的输出电压从负偏压开始上升时，继续向GaN器件304的栅极3041保持负偏压一段预定时间。在一些实施例中，电压保持电路305可以包括具有预定放电时间常数的电容器电路。该预定放电时间常数可以根据具体的技术环境和设计要求进行选取。在一些实施例中，一段预定时间可以是1至2毫秒。通过这种方式，电压保持电路305可以避免GaN晶体管在电源关闭时被损坏。在后文中，将参考图12-13来具体地描述电压保持电路305的具体实施例。
在一些实施例中，偏压开关电路306可以连接在负偏压电路301与GaN器件304的栅极3041之间，并且被配置为根据控制命令将负偏压电路301的输出电压施加到GaN器件304的栅极3041。在一些实施例中，该控制命令例如可以由GaN器件所在的收发机的其他控制单元来给出。
在一些实施例中，大电容器307可以连接在GaN器件的漏极与地之间。大电容器307可以是GaN RF功率晶体管的解耦电容器，此外，当输入的RF功率包络发生变化时，大电容器307可以使电源保持稳定。
在一些实施例中，GaN器件304可以作为GaN射频RF功率放大器进行工作。例如，图3中示出了RF输入308和RF输出309。在一些实施例中，负偏压电路301所提供的负偏压在-5伏到-10伏之间是可调整的，并且漏极正电压可以为48伏。在GaN射频RF功率放大器电路中，GaN器件304是高效率RF功率放大器的核心器件。如果电源时序电路不能恰当地工作，则在加电和关电阶段中GaN器件304非常容易损坏。
在一些实施例中，负偏压电路301具体地可以包括负开关电源SMPS升降压(buck-boost)电路，该负开关电源升降压电路可以将电源电压(例如，+5V)转换为负偏压，并且可以提供GaN器件工作所需要的电流。在一些实施例中，该电流为300至500毫安。
在一些实施例中，漏极开关电路302可以进一步被配置为，在接 通时以第一预定速度缓慢地从零电压上升到漏极正电压，并且在断开时以第二预定速度快速地从漏极正电压下降到零电压。第一预定速度和第二预定速度可以根据具体的技术环境和设计要求来进行选取。在一些实施例中，漏极开关电路302可以包括用于使升压降速的电容器和使得电容器快速放电的开关。在后文中，将参考图10-11来具体地描述漏极开关电路302的具体实施例。
漏极开关电路302用以实现基于负偏压的提供来控制漏极正电压的接通或断开。在GaN器件304的加电阶段中，控制电路303通过阈值来判断负偏压是否稳定地达到安全状态(例如，从0V到-8V)，然后控制电路303逐渐地接通漏极开关电路302，并且避免发生大的浪涌电流。在GaN器件304的关电阶段中，当负偏压从工作电压下降到阈值时(例如，从-10V到-8V)，控制电路303尽快地断开漏极开关电路302。控制电路303可以与电压保持电路305进行协作，从而确保漏极开关电路302在负偏压消失之前被断开。以这种方式，在GaN器件RF功率放大器的关电阶段安全地保护了GaN器件。
下面将参考图4-9来具体地描述根据本公开的实施例的控制电路203和303的各种具体的实施例。
图4示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的控制电路400。本领域的技术人员可以理解，图4中仅示出了控制电路400中的与本公开的实施例紧密相关的电路组件，在具体的实践中，控制电路400可以包括使其能够正常操作的其他电路组件。此外，图4中所示出的各个电路组件的型号和取值仅为一种示例，本公开的实施例也可以使用其他型号和取值的器件来实施。
如图4中所示出的，控制电路400主要包括三极管Q1与电阻R2-R4组成的分压电路，其中负电源电压401从电阻R2的一端接入，而三极管Q1的集电极作为指示信号402输出以作为控制信号来控制例如图2和图3中的漏极开关电路202、203。
在控制电路400加电时，负电源电压401(例如，负开关电源SMPS)的初始输出零电压，三极管Q1(例如，PNP晶体管)被关断 并且输出的指示信号402也是零。在负电源电压401的负输出电压下降到目标电压(例如，-10V)的过程中，负电压将达到阈值(例如，-8V)。此时，指示信号输出5V并且可以接通例如图2和图3中的漏极开关电路202、203，从而可以将48V的高电压施加到GaN器件的漏极。在关电时，在负电源电压401上升回到零电压的过程中，它也将达到阈值-8V，然后指示信号402输出零电压并且关断例如图2和图3中的漏极开关电路202、203，则48V的高电压尽快地被断开。
控制电路400的阈值电压可以按照以下的等式进行计算：
Figure BDA0000969239270000101
其中Vsupply是控制电路400的正电源电压，其一般可以是5V，Vthreshold是用以接通或者断开漏极开关电路的目标负电压，0.7V是三极管Q1的PN结电压，该电压应当根据晶体管的具体类型进行调整。
图5示意性地示出了根据本公开的实施例的图4中的控制电路的工作波形500。如图5中所示出的，标记501表示控制电路400中的负电源电压的波形，标记502表示控制电路400中的阈值电压的波形，标记503表示控制电路400中的负电源指示402的波形。
图6示意性地示出了根据本公开的另一实施例的用于GaN器件的电路系统的控制电路600。本领域的技术人员可以理解，图6中仅示出了控制电路600中的与本公开的实施例紧密相关的电路组件，在具体的实践中，控制电路600可以包括使其能够正常操作的其他电路组件。此外，图6中所示出的各个电路组件的型号和取值仅为一种示例，本公开的实施例也可以使用其他型号和取值的器件来实施。
如图6中所示出的，控制电路600主要包括运算放大器U1A与电阻R2-R3组成的比较器电路，其中负电源电压601从电阻R2的一端接入，阈值电压通过V2来提供，而运算放大器U1A的输出作为指示信号603输出以作为控制信号来控制例如图2和图3中的漏极开关电路202、203。相比于图4的控制电路400，图6的控制电路600能够通过编程代码来控制阈值，但是较为昂贵。
图7示意性地示出了根据本公开的实施例的图6中的控制电路的工作波形700。如图7中所示出的，标记701表示控制电路600中的负电源电压的波形，标记702表示控制电路600中的阈值电压的波形，标记703表示控制电路600中的指示信号的波形。
图8示意性地示出了根据本公开的又一实施例的用于GaN器件的电路系统的控制电路800。本领域的技术人员可以理解，图8中仅示出了控制电路800中的与本公开的实施例紧密相关的电路组件，在具体的实践中，控制电路800可以包括使其能够正常操作的其他电路组件。此外，图8中所示出的各个电路组件的型号和取值仅为一种示例，本公开的实施例也可以使用其他型号和取值的器件来实施。
如图8中所示出的，控制电路800主要通过齐纳二极管802来提供阈值电压，其中负电源电压801从齐纳二极管802的正极接入，而三极管Q1的输出作为指示信号803输出以作为控制信号来控制例如图2和图3中的漏极开关电路202、203。图8的控制电路800相比于图6的控制电路600而言更加简单，并且电压阈值可以通过对应的齐纳二极管进行调节。在这个方面，可以按照以下的等式来对齐纳二极管进行选择，Vsup ply+|Vthreshold|-Vzener_diode＞0，其中Vsupply是电路的正电源电压，Vthreshold是用以接通或者断开漏极开关电路的目标的电压，Vzener_diode是所选择的齐纳二极管的击穿电压。
图9示意性地示出了根据本公开的实施例的图8中的控制电路的工作波形900。如图9中所示出的，标记901表示控制电路800中的负电源电压的波形，标记902表示控制电路800中的阈值电压的波形，标记903表示控制电路800中的指示信号的波形。
下面将参考图10-11来描述根据本公开的实施例的负偏压电路202和302的一种具体示例。
图10示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的负偏压电路的工作波形1000。一般而言，漏极开关电路可以是高电压p沟道MOSFET。但是对于RF功率放大器，在RF功率晶体管可能附近存在大的解耦电容器。因此，在GaN器件的接通 阶段，希望开关速度足够慢，否则大电容器在接通漏极开关电路时将产生大的浪涌电流，而在GaN器件的断开阶段，希望开关速度足够快，如果开关速度不是足够快，GaN器件的RF功率晶体管容易被损坏。因此，在一些实施例中，GaN RF功率放大器的漏极需要如图10所示出的高电压电源工作波形1000。
图11示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的负偏压电路1100。本领域的技术人员可以理解，图11中仅示出了负偏压电路1100中的与本公开的实施例紧密相关的电路组件，在具体的实践中，负偏压电路1100可以包括使其能够正常操作的其他电路组件。此外，图11中所示出的各个电路组件的型号和取值仅为一种示例，本公开的实施例也可以使用其他型号和取值的器件来实施。
通过负偏压电路1100，在GaN器件的加电阶段，48V的高压电源HVPS可以缓慢地达到目标电压(诸如48V)以避免由于大解耦电容所致的浪涌电流。在GaN器件的关电阶段，48V的高压电源HVPS可以尽快地到达零电压，以避免损坏GaN RF功率晶体管。如图11中所示出的，负偏压电路1100主要利用了减速电容器1101和快速放电开关1102来实现这样的要求。
下面参考图12-13来描述根据本公开的实施例的电压保持电路305的若干具体示例。
图12示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的电路系统的电压保持电路1200。本领域的技术人员可以理解，图12中仅示出了电压保持电路1200中的与本公开的实施例紧密相关的电路组件，在具体的实践中，电压保持电路1200可以包括使其能够正常操作的其他电路组件。此外，图12中所示出的各个电路组件的型号和取值仅为一种示例，本公开的实施例也可以使用其他型号和取值的器件来实施。
如图12中所示出的，电压保持电路1200可以包括二极管D1和电容器C1。在GaN器件加电时，电源电压可以被馈送给负偏压电路 (例如，负开关电压源SMPS电路)并且同时对电容器C1进行充电；在GaN器件关电时，由于反向偏置二极管D1具有非常高的阻抗，所以电容器C1缓慢地放电。放电时间常数主要取决于负SMPS电路的消耗电流。
图13示意性地示出了根据本公开的另一实施例的用于GaN器件的电路系统的电压保持电路1300。本领域的技术人员可以理解，图13中仅示出了电压保持电路1300中的与本公开的实施例紧密相关的电路组件，在具体的实践中，电压保持电路1300可以包括使其能够正常操作的其他电路组件。此外，图13中所示出的各个电路组件的型号和取值仅为一种示例，本公开的实施例也可以使用其他型号和取值的器件来实施。
相比于图12中的电压保持电路1200，图13中所示出的电压保持电路1300通过两级的二极管D1和D2以及电容C1和C2实现了更好的性能。
图14示意性地示出了根据本公开的一种实施例的用于GaN器件的方法1400的流程图。在一些实施例中，执行方法1400的主体可以是根据前文所描述的用于GaN器件的电路系统200或300，其中电路系统200或300中各个单元或组件可以被配置为执行方法1400中的相应步骤或操作。
如图14中所示出的，用于氮化镓GaN器件的方法1400包括步骤1401至步骤1404。在步骤1401中，通过从零电压开始降压到负偏压来向GaN器件的栅极提供负偏压。在步骤1402中，在降压过程中向GaN器件的漏极提供正电压。在步骤1403中，通过从负偏压开始升压到零电压来断开GaN器件的栅极的负偏压。在步骤1404中，在升压过程中断开GaN器件的漏极的正电压。通过执行方法1400，在GaN器件的加电阶段和关电阶段安全地保护了GaN器件。
具体地，在使用GaN器件作为GaN功率放大器的应用中，其开启和关断过程可以按照以下的流程来进行。
GaN功率放大器的开启过程：在加电时，栅压电源通过从零电压 开始降压到负压来给GaN的栅极供电；在降压的过程中,当负压降到预设的门限(阈值)时，打开GaN的漏极供电开关，给GaN漏极供电；在降压的过程中，当负压降到预设的门限时，打开GaN的漏极供电开关，给GaN漏极供电；然后开射频信号。
GaN功率放大器的关断过程：关射频信号；关电时，栅压电源通过从负压升到零压；当负压上升到预定的门限时，关断GaN功率放大管的漏极电压；关断是一个过程，在这个过程中，确保漏极电压回到零压的速度比栅极电压回到零压的速度快，以确保GaN功率放大管的安全。
在一些实施例中，步骤1402可以包括：从零电压下降到阈值电压时向GaN器件的漏极提供正电压，其中阈值电压在负偏压与零电压之间。在一些实施例中，步骤1403可以包括：从负偏压上升到阈值电压时断开GaN器件的漏极的正电压，其中阈值电压在负偏压与零电压之间。以这种方式，方法1400使用了简单但是唯一的阈值来控制GaN器件的电源时序，该阈值可以根据不同的技术环境是进行调节，因此更加灵活。
在一些实施例中，方法1400可以进一步包括：通过电阻分压电路、比较器电路、或者齐纳二极管电路来提供阈值电压。在一些实施例中，方法1400可以进一步包括：当通过比较器电路来提供阈值电压时，通过编程代码来调整阈值电压。
在一些实施例中，方法1400可以进一步包括：当负偏压开始上升时，继续向GaN器件的栅极保持负偏压一段预定时间。在一些实施例中，继续向GaN器件的栅极保持负偏压一段预定时间可以包括：通过具有预定放电时间常数的电容器电路来保持负偏压。在一些实施例中，一段预定时间可以是1至2毫秒。
在一些实施例中，方法1400可以进一步包括：通过负开关电源升降压电路来实现降压和升压，并且提供GaN器件工作所需要的电流。在一些实施例中，该电流可以为300至500毫安。以这种方式，方法1400使用升降压负开关电源SMPS来替代现有技术中所使用的开关电容器，其具有比开关电容器更好的电流能力，并且升降压负SMPS具有比开关电容器更稳定的温度性能。
在一些实施例中，在降压过程中向GaN器件的漏极提供正电压可以包括：通过以第一预定速度缓慢地从零电压上升到漏极正电压来向GaN器件的漏极提供正电压，并且通过以第二预定速度快速地从漏极正电压下降到零电压来断开GaN器件的漏极的正电压。
在一些实施例中，方法1400可以进一步包括：通过使升压降速的电容器来缓慢地从零电压上升到漏极正电压；并且通过使得电容器快速放电的开关来快速地从漏极正电压下降到零电压。以这种方式，方法1400可以在GaN器件加电时减速漏极高电压的接通速度，目的是在接通时减少GaN器件的浪涌电流，并且在断开时加速GaN器件的漏极高电压的断开。
在一些实施例中，方法1400可以进一步包括：根据控制命令将负偏压施加到GaN器件的栅极。在一些实施例中，方法1400可以进一步包括：使用具有预定大电容值的大电容器作为GaN器件的解耦电容器。
在一些实施例中，方法1400可以进一步包括：将GaN器件作为GaN射频功率放大器。在一些实施例中，负偏压在-5伏到-10伏之间是可调整的，并且漏极正电压可以为48伏。
总而言之，本公开的实施例解决了保护GaN RF功率放大器的问题。对于GaN RF功率放大器，电源时序保护是现实工程设计中的主要课题，良好的保护电路能够使GaN RF功率放大器安全地工作。尤其是在GaN RF功率放大器加电和关电时，经常由于低劣的电源时序保护电路毁坏GaN器件。
不同于现有技术中的用于GaN射频功率放大器的电路系统，本公开的实施例提供了一种新型的用于GaN器件的电路系统和方法，其主要具有如下的技术优势。第一，使用了简单但是唯一的阈值决定电路来控制GaN功率放大器的电源时序(sequencing)，该阈值根据不同的技术环境是可调的，因此更加灵活。第二，使用升降压 (buck-boost)负开关电源SMPS来替代现有技术中的开关电容器，其具有比开关电容器更好的电流能力，并且升降压负SMPS具有比开关电容器更稳定的温度性能。第三，使用零电压开关ZVS升降压SMPS具有比开关电容器稳压器小得多的偏置电压波纹，负偏置电压对系统数字预失真性能具有很大的影响，而系统数字预失真性能对移动RRH的总体发射系统是关键的。第四，使用充电电容器来减速高电压漏极开关的转换速度，目的是在接通时减少GaN功率放大器的浪涌电流，并且使用另外的放电开关来加速GaN功率放大器的高电压漏极开关的断开。
本公开的实施例相比现有技术的优点在于简单并且更加灵活，同时解决了诸如可调节的阈值，慢速加电而快速关电等问题。此外，使用了电压保持电路解决了GaN功率放大器在关电时容易被损坏的问题。本公开的实施例可以使用在基于GaN的新型宽带功率放大器中，并且宽带GaN RF功率放大器能够广泛地被使用在宽带RRH等中。
在对本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。
应当注意，本公开的实施例可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开的方法的操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多 个步骤组合为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。还应当注意，根据本公开的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。
虽然已经参考若干具体实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于所公开的具体实施例。本公开旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等效布置。

Claims (29)

1.一种用于氮化镓GaN器件的电路系统，包括：
负偏压电路，被配置为提供所述GaN器件的栅极负偏压；
漏极开关电路，被配置为接通或断开所述GaN器件的漏极正电压；
控制电路，被配置为基于所述负偏压的提供来控制所述漏极开关电路，以使得所述漏极正电压在栅极电压达到所述负偏压之后接通，并且在负栅极电压完全消失之前断开；以及
电压保持电路，被配置为当所述负偏压电路的输出电压从所述负偏压开始上升时，继续向所述GaN器件的栅极保持所述负偏压一段预定时间。
2.根据权利要求1所述的电路系统，其中所述控制电路进一步被配置为：
当所述负偏压电路的输出电压从零电压下降到阈值电压时，接通所述漏极开关电路，并且
当所述负偏压电路的输出电压从所述负偏压上升到所述阈值电压时，断开所述漏极开关电路，
其中所述阈值电压在所述负偏压与零电压之间。
3.根据权利要求2所述的电路系统，其中所述控制电路包括以下各项中的至少一项：电阻分压电路、比较器电路、以及齐纳二极管电路。
4.根据权利要求3所述的电路系统，其中当所述控制电路包括比较器电路时，通过编程代码来调整所述阈值电压。
5.根据权利要求1所述的电路系统，其中所述电压保持电路包括具有预定放电时间常数的电容器电路。
6.根据权利要求1所述的电路系统，其中所述一段预定时间是1至2毫秒。
7.根据权利要求1所述的电路系统，其中所述负偏压电路包括负开关电源升降压电路，所述负开关电源升降压电路将电源电压转换为所述负偏压，并且提供所述GaN器件工作所需要的电流。
8.根据权利要求7所述的电路系统，其中所述电流为300至500毫安。
9.根据权利要求1所述的电路系统，其中所述漏极开关电路进一步被配置为，在接通时以第一预定速度缓慢地从零电压上升到所述漏极正电压，并且在断开时以第二预定速度快速地从所述漏极正电压下降到零电压。
10.根据权利要求9所述的电路系统，其中所述漏极开关电路包括用于使升压降速的电容器和使得所述电容器快速放电的开关。
11.根据权利要求1所述的电路系统，进一步包括：
偏压开关电路，连接在所述负偏压电路与所述GaN器件的栅极之间，并且被配置为根据控制命令将所述负偏压电路的输出电压施加到所述GaN器件的栅极。
12.根据权利要求1所述的电路系统，进一步包括：
具有预定大电容值的大电容器，连接在所述GaN器件的漏极与地之间。
13.根据权利要求1所述的电路系统，其中所述GaN器件作为GaN射频功率放大器进行工作。
14.根据权利要求1所述的电路系统，其中所述负偏压在-5伏到-10伏之间是可调整的，并且所述漏极正电压为48伏。
15.一种用于氮化镓GaN器件的方法，包括：
通过从零电压开始降压到负偏压来向所述GaN器件的栅极提供所述负偏压；
在所述降压过程中向所述GaN器件的漏极提供正电压；
通过从所述负偏压开始升压到零电压来断开所述GaN器件的栅极的所述负偏压；
在所述升压过程中断开所述GaN器件的漏极的所述正电压；以及
当所述负偏压开始上升时，继续向所述GaN器件的栅极保持所述负偏压一段预定时间。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述降压过程中向所述GaN器件的漏极提供所述正电压包括：
从零电压下降到阈值电压时向所述GaN器件的漏极提供所述正电压，其中所述阈值电压在所述负偏压与零电压之间。
17.根据权利要求15所述的方法，其中在所述升压过程中断开所述GaN器件的漏极的所述正电压包括：
从所述负偏压上升到阈值电压时断开所述GaN器件的漏极的所述正电压，其中所述阈值电压在所述负偏压与零电压之间。
18.根据权利要求16或17所述的方法，进一步包括：
通过电阻分压电路、比较器电路、以及齐纳二极管电路中的至少一项来提供所述阈值电压。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
当通过比较器电路来提供所述阈值电压时，通过编程代码来调整所述阈值电压。
20.根据权利要求15所述的方法，其中继续向所述GaN器件的栅极保持所述负偏压一段预定时间包括：
通过具有预定放电时间常数的电容器电路来保持所述负偏压。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述一段预定时间是1至2毫秒。
22.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
通过负开关电源升降压电路来实现所述降压和所述升压，并且提供所述GaN器件工作所需要的电流。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述电流为300至500毫安。
24.根据权利要求15所述的方法，其中在所述降压过程中向所述GaN器件的漏极提供正电压包括：
通过以第一预定速度缓慢地从零电压上升到所述漏极正电压来向所述GaN器件的漏极提供正电压，并且
通过以第二预定速度快速地从所述漏极正电压下降到零电压来断开所述GaN器件的漏极的所述正电压。
25.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
通过使升压降速的电容器来缓慢地从零电压上升到所述漏极正电压；并且
通过使得所述电容器快速放电的开关来快速地从所述漏极正电压下降到零电压。
26.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
根据控制命令将所述负偏压施加到所述GaN器件的栅极。
27.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
使用具有预定大电容值的大电容器作为所述GaN器件的解耦电容器。
28.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
将所述GaN器件作为GaN射频功率放大器。
29.根据权利要求15所述的方法，其中所述负偏压在-5伏到-10伏之间是可调整的，并且所述漏极正电压为48伏。
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