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[導(dǎo)讀]摘要:文中簡(jiǎn)單介紹了場(chǎng)效應(yīng)管和功率MOS管,并通過場(chǎng)效應(yīng)管在DX中波發(fā)射機(jī)中實(shí)際應(yīng)用的例子,說明了場(chǎng)效應(yīng)管,特別是IR功率MOS管在當(dāng)代大功率中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞:功率MOSFET;功率放大 1960年貝爾

摘要:文中簡(jiǎn)單介紹了場(chǎng)效應(yīng)管和功率MOS管,并通過場(chǎng)效應(yīng)管在DX中波發(fā)射機(jī)中實(shí)際應(yīng)用的例子,說明了場(chǎng)效應(yīng)管,特別是IR功率MOS管在當(dāng)代大功率中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:功率MOSFET;功率放大

    1960年貝爾實(shí)驗(yàn)室的Dawon Kahung及JohnAtalla用一個(gè)絕緣的電極在P-N接面之間引發(fā)一個(gè)導(dǎo)電的通道(channel)而來控制晶體中的導(dǎo)電狀況。根據(jù)這個(gè)構(gòu)想,場(chǎng)效應(yīng)電晶體(FET)終于在兩年后由RCA(美國(guó)無(wú)線電公司)的Stephen R.Hofstein及Frederick P.Heiman設(shè)計(jì)出來。其構(gòu)造是在矽晶片上不同的兩個(gè)地方引入N型或P型雜質(zhì)作為源極和漏極,兩極之間的晶片上再生長(zhǎng)一層二氧化矽的絕緣物,然后在SiO2上鍍上一層金屬作為柵極。從縱剖面來看,其構(gòu)造是金屬一氧化層一半導(dǎo)體,因此稱為MOS電晶體(Metal-Oxide-Semi-conductor transistor )。FET的三個(gè)電極分別被稱為漏極、柵極和源極,對(duì)應(yīng)雙極性三極管的三個(gè)電極分別是集電極、基極和發(fā)射極。FET有兩個(gè)主要變種,結(jié)型(JFET)和絕緣柵型(又叫MOSFET)。兩者針對(duì)不同類型的應(yīng)用做了優(yōu)化。結(jié)型FET被用于小信號(hào)處理,通態(tài)電阻大,常用于射頻工作場(chǎng)合;而MOSFET主要被用于線性放大或開關(guān)電源應(yīng)用,特別是功率MOSFET廣泛用于各種驅(qū)動(dòng)及功率放大場(chǎng)合。

1 功率MOSFET及其驅(qū)動(dòng)電路
    功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的MOS型,簡(jiǎn)稱功率MOSFET(Power MOSFET)或功率MOS管。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一股稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor——SIT)。絕大多數(shù)電路設(shè)計(jì)中使用的都是NMOS FET,如果沒有特別說明,完全可以假定功率電路設(shè)計(jì)中使用的MOSFET全部是N溝道的。
    自1976年開發(fā)出功率MOSFET以來,由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展,它的性能不斷提高;如高壓功率MOSFET其工作電壓可達(dá)1000V;低導(dǎo)通電阻MOSFET其通態(tài)漏源阻值RDS(on)僅10mΩ;工作頻率范圍可以從直流到數(shù)兆赫茲。
    MOSFET以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O),利用電場(chǎng)的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S),F(xiàn)ET(Field Effect Transistor,場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的名字也由此而來。然而在DX-600發(fā)射機(jī)中所大量使用的IR是(International Rectifier公司生產(chǎn)) HEXFET功率MOS管,其柵極卻并不是金屬做的,而是用多晶硅來做柵極。IR在1978年時(shí)是用金屬做柵極的,1979年的GEN-1HEXFET是世界上第一個(gè)采用多晶硅柵極的多原胞型功率MOSFET。
    功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電,是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同,但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別,小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?,功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),又稱為VMOSFET(Vertical MOSFET),大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。
    功率MOSFET的特別之處在于:包含多個(gè)“單元” (cell)的并行結(jié)構(gòu),相當(dāng)于具有相同RDS(on)電阻的多個(gè)MOSFET并聯(lián),其等效電阻為一個(gè)MOSFET單元的RDS(on)的1/n。裸片面積越大,其導(dǎo)通電阻就越低,但同時(shí),寄生電容就越大,其開關(guān)性能就越差。改進(jìn)的辦法就是最小化基本單元的面積,這樣在相同的占位空間中就可以集成更多的單元,從而使RDS(on)下降,并維持電容不變。西門子公司的SIPMOSFET采用了正方形單元;摩托羅拉公司的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列;IR功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)中,每個(gè)MOSFET的原胞是一個(gè)六角形(hexan gular),如圖1所示,因而IR常把它稱為HEXFET。


    功率MOSFET相對(duì)于一般的MOS管需要承受較大的電壓和電流,所以一般都需要加裝專門的散熱電路,此外,為提高功率MOSFET的開關(guān)速度及降低其功率損耗,對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路也提出了特殊的要求:
    (1)觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度;
    (2)開通時(shí)以低電阻為柵極電容充電,關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路,以提高功率MOSFET的開關(guān)速度,盡可能降低開關(guān)所造成的損耗;同時(shí)由于MOSFET管具有極高的輸入阻抗,為了避免電路的正反饋引起振蕩,驅(qū)動(dòng)源的阻抗也必須很低,最好的辦法就是用變壓器做驅(qū)動(dòng)電路;
    (3)為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通,觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓。為了防止誤導(dǎo)通,在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓;(4)柵極電壓的最大值一般為20~30V。為了防止門極電壓超過其額定的最大值(目前通常是20V),需要在柵極接上齊納穩(wěn)壓管,比如在DX發(fā)射機(jī)功率模塊中所用的P6KE20CA穩(wěn)壓塊。
    (5)盡量減少與MOSFET管各管腳連接的連線長(zhǎng)度,特別是柵極引線的長(zhǎng)度。如果實(shí)在無(wú)法減少其長(zhǎng)度,可以用一個(gè)小磁環(huán)或者小電阻與MOSFET管串連起來,這兩個(gè)元件要盡量靠近管子的柵極,可以起到消除寄生振蕩的作用。
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2 場(chǎng)效應(yīng)管在DX-600中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用
2.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在射頻源板晶振電路中的應(yīng)用
    將JFET用于實(shí)際的放大電路中,就可以設(shè)計(jì)出無(wú)源元件很少的簡(jiǎn)單高頻LC振蕩器。比如DX-600中波發(fā)射機(jī)射頻源板上實(shí)際所用的4倍載波晶振電路(如圖2所示),就是典型的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的晶振電路。


    該電路主要結(jié)構(gòu)包括一只以共漏方式連接的J309 JFET放大器,柵極電阻(R24)提供柵極到地的連接,R24的典型值在幾兆歐姆范圍內(nèi),在本電路中為1MΩ,實(shí)際上和作為電感存在的晶體構(gòu)成柵極直流通路,以提供放大器所需的高阻抗結(jié)構(gòu)。電阻R31提供晶體管的偏置,其阻值由下述公式確定:
   
    查J309參數(shù)得VGS=10V時(shí),ID=10mA,則RS,也就是R31選擇為1kΩ。晶體作為諧振的電感元件,電容C2、C3進(jìn)行正反饋,頻率越低,電容量越大,在中波范圍內(nèi)本電路采用180pF,最終構(gòu)成一個(gè)頻率由晶體決定并可通過C18微調(diào)的考畢茲振蕩電路。
    該電路相對(duì)于之前的廣播級(jí)射頻源,不用設(shè)置專用恒溫,稍加預(yù)熱,就可穩(wěn)定運(yùn)行,具有極高的頻率穩(wěn)定度,完全滿足了中波乙級(jí)以上的頻偏要求,我臺(tái)使用十多年來,一直可靠運(yùn)行。
2.2 功率MOS管在射頻放大器上的應(yīng)用
    HARRIS公司生產(chǎn)的DX-600中波發(fā)射機(jī)中為提高射頻信號(hào)的放大倍數(shù),使用了大量IR公司的功率MOSFET器件,最為代表的就是在RF 3XL射放模塊中完成射頻功率放大的IRFP360 MOS管,兩兩并聯(lián),組成一個(gè)橋式放大電路(如圖3所示)。一個(gè)200PB有239塊相同的功率放大模塊,一塊模塊上有8支這樣的管子,一個(gè)200PB就是1912支管子,整個(gè)DX-600發(fā)射機(jī)由三個(gè)相同的200PB組成,這樣就有5736支這樣的管子。其設(shè)計(jì)工程師用高頻變壓器做激勵(lì)驅(qū)動(dòng),一方面降低了信號(hào)源內(nèi)阻,開通時(shí)以低電阻為MOS管柵極電容充電,關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路,以提高功率MOSFET的開關(guān)速度,最大限度的降低了導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)的功率消耗,降低了溫升,由此保證了功率MOS管的長(zhǎng)期使用;另一方面使用變壓器做驅(qū)動(dòng),容易做到對(duì)四只管子激勵(lì)信號(hào)的并聯(lián)饋送,充分利用功率MOS管的導(dǎo)通電阻具有正的溫度系數(shù)的特性,通過并聯(lián)工作而達(dá)到擴(kuò)大功率容量的目的。DX-600中波發(fā)射機(jī)最高2400kW的峰值功率就靠這些拇指大小的場(chǎng)效應(yīng)管完成,這不僅是發(fā)射機(jī)歷史上的壯舉,也是功率MOS管的典型應(yīng)用。IRFP360額定工作電壓為400V,最大工作電流為23A,通態(tài)電阻Ron為0.2Ω,輸入電容5000pF。


    由于IR公司采用了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HEXFET型場(chǎng)效應(yīng)管,所以其工作電壓、電流、頻率會(huì)做的很高。我臺(tái)曾為HARRIS公司生產(chǎn)的IRFP360管上機(jī)做過實(shí)驗(yàn),其在一部發(fā)射機(jī)上試用時(shí)管體溫度相對(duì)原機(jī)所用IRPF360偏高;在另一部發(fā)射機(jī)上使用時(shí)會(huì)爆激勵(lì)保險(xiǎn)。而IR公司生產(chǎn)的IRFP360管子大部分可以工作在40000小時(shí)以上,IR公司生產(chǎn)的功率MOS管做工非常精致,其出廠標(biāo)號(hào)是刻在MOS管正面的。2007年之后,在IR的MOS管和肖特基二極管產(chǎn)品線被Vishay公司收購(gòu)之后,再買到的封裝就是打印上去的了,所以說現(xiàn)在的IRFP360管基本上都是Vishay公司生產(chǎn)。[!--empirenews.page--]
2.3 功率MOS管在伺服控制板上的應(yīng)用
    圖4是DX-600中波發(fā)射機(jī)合成器伺服控制板上用到的調(diào)諧的驅(qū)動(dòng)電路。其中由四只最大工作電壓100V,電流16A的IRF350組成橋式放大驅(qū)動(dòng)電路,放大前級(jí)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)調(diào)諧直流電機(jī),傳動(dòng)調(diào)諧電容轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到改變其容量的目的。此外,調(diào)載驅(qū)動(dòng)電路與此完全相同,二者同時(shí)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)合成器并機(jī)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化時(shí)的阻抗匹配調(diào)整。


2.4 功率MOS管在整流柜放電回路的應(yīng)用
    DX-600中波發(fā)射機(jī)的單個(gè)200PB整流柜的主整功放電壓雖然不高(250V),主整濾波電容由55只5100μF的電容分散并聯(lián)組成,而且每只電容都并聯(lián)了75kΩ的放電電阻,但其總體電容依然較大,
    C=55x5100x10-6=0.2805(F)
    相對(duì)于250V的儲(chǔ)能為:
    1/2(CU2)=1/2(0.2805x2502)=8765(J)
    這還不包括120μH主整濾波電感、驅(qū)動(dòng)級(jí)電容、二進(jìn)制電容的儲(chǔ)能,所以說從安全的角度考慮,如果在關(guān)機(jī)后不把儲(chǔ)能迅速瀉放,特別是處理故障時(shí),對(duì)于維護(hù)人員來說具有相當(dāng)大的隱患。所以HARRIS公司采用了如圖5所示的放電電路,主要由IR生產(chǎn)的4只IRFP360功率MOS管Q1、Q2、Q3、Q4和與其相串聯(lián)的大功率電阻R13、R14、R15、R16組成,當(dāng)發(fā)射機(jī)工作時(shí),均不導(dǎo)通;關(guān)機(jī)后,來自電源控制板的控制信號(hào)將控制電壓加到每只場(chǎng)效應(yīng)管的柵極上,MOS場(chǎng)效應(yīng)管開通,將主整和驅(qū)動(dòng)級(jí)(包括二進(jìn)制)電源的儲(chǔ)能完全瀉放在四個(gè)電阻上,達(dá)到保護(hù)設(shè)備、維護(hù)人身安全的作用。


    圖5為放電回路早期圖紙,該公司設(shè)計(jì)人員采用的100W10Ω(R13、R14、R15、R16)的放電電阻在實(shí)際使用中,會(huì)經(jīng)常有IRFP360管子損壞、放電電阻燒毀的情況發(fā)生。后來HARRIS公司將其全部更換為250W40Ω后再無(wú)類似情況出現(xiàn)。
2.5 功率MOS管在其它地方的應(yīng)用
    DX-600中波發(fā)射機(jī)中功率MOS管的應(yīng)用位置非常多,比如PB200射放的前級(jí)一緩沖級(jí)由4支IRL510功率MOS管兩兩構(gòu)成兩組推挽電路,一主一備各自完成將4~4.5Vp-p射頻激勵(lì)信號(hào)放大至15Vp-p的信號(hào)去推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)(與RF 3XL射放模塊相同電路)。在PB200功放單元的B+/B-開關(guān)電源中,輸出可達(dá)65A的B-電源由四只IRFP448功率MOS管提供,輸出20A的B+電源由兩支Motorola生產(chǎn)的N型EMOS (Motorola稱為TMOS)功率管MTW8N5E提供。其它功率MOS管應(yīng)用的地方還有很多,在此不再一一列舉。

3 結(jié)束語(yǔ)
    由此可見,場(chǎng)效應(yīng)管因?yàn)樗俣瓤?、功耗低、抗干擾等優(yōu)點(diǎn),在中波射放系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,特別是IR公司功率MOS管的出現(xiàn)及在DX中波發(fā)射機(jī)中的大量使用(DX-10中波機(jī)射放系統(tǒng)的模塊采用IRFP350功率MOS管),使電子管完全退出了中波發(fā)射機(jī),引領(lǐng)現(xiàn)代廣播發(fā)射設(shè)備發(fā)生了深刻的變革。

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