Радиочастотные полевые транзисторы с изолированным затвором класса VDMOS объединяют достоинства полевых транзисторов с вертикальным каналом и приборов DMOS, изготовляемых методом двойной диффузии. Широкую номенклатуру VDMOS выпускает американская компания Microsemi, с вошедшей в нее фирмой Advanced Power Technology (APT). В статье описаны приборы этих компаний с выходной мощностью от нескольких Вт до 2кВт на частоте от 10 до 200МГц и усилители мощности на их основе.
Введение
После освоения в СССР в конце 1970-х годов серийного производства первых в мире мощных полевых транзисторов с горизонтальным каналом КП901–КП904 [1, 2] во многих странах бурное развитие получили мощные полевые транзисторы с V- и U-образной структурой и вертикальным расположением канала. Первыми советскими приборами этого типа были транзисторы КП905, КП907, КП908, КП909, КП913 и др. [3, 5–7]. Их рабочая частота достигала 1–2 ГГц, и на них были отработаны принципы построения радиочастотных усилителей мощности [6, 7].
К сожалению, дно и стенки V-образной канавки, получаемой методом анизотропного травления, имели неидеальную структуру полупроводника, что вело к локализации электрического поля под ней и вызывало снижение максимального рабочего напряжения стока.
В конце 1970-х и особенно в 1980-х годах большое развитие получили приборы с двойной диффузией — DMOS. Они, по сути, являются гибридом полевого транзистора с горизонтальным каналом и транзистора с вертикальной структурой. Приборы класса DMOS имеют три важных преимущества по сравнению с приборами с V- и U-образной канавками: отсутствие дефектных областей, улучшенное качество затвора и повышенная подвижность носителей в канале. В то же время они характерны большой емкостью структуры и меньшей рабочей частотой. Две серии таких приборов (с выходной мощностью 300 Вт) созданы Воронежским ФГУП и «НИИ электронной техники» [4].
Мощные VDMOS фирмы Microsemi
Мощные полевые транзисторы за рубежом сейчас производит множество фирм, например ST Microelectronics, Mictosemi, IXYS, International Rectifiers, Philips и др. Компания Microsemi (www.microsemi.com) выпускает мощные радиочастотные полевые транзисторы VDMOS (Vertical Diffusion Metal Oxide Seniconductor), в которых объединены достоинства приборов с вертикальной структурой и DMOS-транзисторов.
Структура VDMOS-транзистора показана на рис. 1. Как нетрудно заметить, V- или U-образная канавка у прибора отсутствует, что заметно упрощает технологию его изготовления. Линии тока истока сначала от его металлических областей проходят через тонкий канал под поликристаллическим горизонтальным затвором и затем, переходя в вертикальное положение, собираются стоком в его N-области и низкоомной подложке типа N+.
Параметры ряда серийных VDMOS даны в таблице 1. В основном это высоковольтные приборы. По сравнению с приборами LDMOS (ST Microelectronics и Philips [5]) значения рабочей частоты приборов ниже (до 200МГц), но зато они имеют выдающиеся энергетические показатели - выходную мощность до 750Вт и максимальное напряжение на стоке 1200В. Некоторые приборы хорошо приспособлены для применения в усилителях мощности с низковольтным питанием от 12 до 50В).
VDMOS-транзисторы имеют различное корпусное исполнение, обусловленное реализуемыми схемотехническими решениями. Основные типы корпусов, применяемые при производстве мощных VDMOS транзисторов компании Microsemi, представлены на рис. 2. Характерной особенностью всех представленных корпусов является то, что они имеют малую высоту, это позволяет размещать их на достаточно тонкой печатной плате или теплоотводящей пластине.
Знакомство с силовыми VDMOS-транзисторами компании Microsemi начнем с прибора ARF1519. В качестве основных параметров приборов производитель указывает напряжение питания усилителя мощности, выходную мощность и частоту выходного сигнала. У этого прибора они равны 250В, 750Вт и 25МГц соответственно. При работе резонансного усилителя в классе C напряжение на стоке достигает значений в 3–4 раза выше напряжения питания. Поэтому максимальное рабочее напряжение у этого транзистора нормируется на уровне 1000В. Из приведённых технических характеристик видно, что компонент ARF1519 Microsemi является высоковольтным мощным транзистором с умеренной (для такого класса приборов) максимальной рабочей частотой. В то же время отметим, что она на порядок выше, чем рабочая частота сопоставимого по мощности и напряжению на стоке силового (ключевого) транзистора.
Выходные и передаточные характеристики транзистора ARF1519 показаны на рис. 3. Уровень остаточного напряжения на стоке включенного транзистора достаточно высок: до 15–20В при максимальном рабочем токе. Семейство передаточных характеристик имеет характерную термостабильную точку: в ней кривые пересекаются. Пороговое напряжение транзистора лежит в диапазоне от 2 до 3В.
Постоянный ток стока у VDMOS-транзистора ARF1519 нормируется на уровне 20А, а импульсный ток может превышать 40А. Естественно, такой сильноточный прибор имеет большую ёмкость. Зависимость ёмкости от напряжения «сток-исток» UDS характеризуется резкой нелинейностью (рис. 4). Средние значения ёмкостей: входная - 4600пФ, выходная - 310пФ, проходная - 90пФ. Столь большие значения ёмкости указывают на то, что импедансы входа и выхода у транзистора очень малы, и поэтому особое значение приобретает согласование импедансов транзистора с импедансами источника входного сигнала и нагрузки (обычно 50Ом).
Степень нагрева транзистора определяется значением его термического импеданса Rth (°C/Вт). Зависимость термического импеданса транзистора ARF1519 от длительности импульса тока стока представлена на рис. 5 и позволяет оценить степень допустимого увеличения тока стока от длительности импульса тока при заданном периоде повторения сигнала.
Основные квалификационные параметры транзистора оцениваются при его работе в составе тестовых схем усилителей мощности. Такие схемы SPICE-модели транзисторов для их расчета и моделирования компания Microsemi приводит практически для всех своих транзисторов. На рис. 6 представлена тестовая схема для транзистора ARF1519. Там же приведена спецификация компонентов этой схемы и чертеж варианта монтажа схемы на печатной плате.
Выбор ARF1519 в качестве первого транзистора для ознакомления с продукцией Microsemi не случаен: тестовая схема для него, показанная на рис. 6, — самая простая и наглядная. Это обычный однотактный каскад усилителя мощности на транзисторе, включенном с общим истоком. Для согласования выходного сопротивления генератора входного сигнала (50Ом) с низким входным импедансом полевого транзистора служит обычный ВЧ-трансформатор с большим коэффициентом трансформации (10:1). В стоке транзистора установлен последовательный резонансный контур с емкостной цепью согласования с нагрузкой (тоже 50Ом). Усилитель работает в классе C и развивает на частоте 13,56МГц мощность 750Вт (!). В схеме усилителя нет никакой «экзотики».
Низковольтные сильноточные VDMOS
Теперь рассмотрим транзистор VRG154, предназначенный для применения в устройствах с малым напряжением питания (от 12 до 50В). Максимальное напряжение на стоке этого прибора 170В, непрерывный ток коллектора 60A, а импульсный может достигать удвоенных значений. При этом прибор способен развивать мощность 600Вт на частоте 80 МГц при напряжении питания усилителя мощности 50 В и КПД 75%. Максимальная рассеиваемая на стоке мощность у этого прибора 1350 Вт!
Выходные и передаточные характеристики транзистора VRG154 представлены на рис. 7. Выходные характеристики (рис. 7а) демонстрируют малые значения напряжения «сток-исток» при больших (до 60A) токах стока. Именно это обстоятельство позволяет применять эти транзисторы в схемах с низковольтным напряжением питания и рекордно большой выходной мощностью.
На рис. 8 показаны графики зависимости емкостей транзистора от напряжения «сток-исток». Этот мощный прибор имеет большую и резко нелинейную зависимость ёмкости.
Зависимость выходной мощности от входной на частоте 30 и 55МГц для транзистора VRG154 показана на рис. 9. Видно, что выходная мощность транзистора при этих значениях частоты может превышать 1000Вт.
Зависимость теплового импеданса от длительности импульса в импульсном режиме работы дана на рис. 10. Подобные графики зависимости приводятся практически для всех мощных полевых транзисторов фирмы Microsemi.
Тестовая схема однотактного генератора, в которой испытывается транзистор VRG154, показана на рис. 11. Для согласования импедансов используются сложные LC-цепи (двухъячейчатые фильтры) на входе и на выходе с настройкой их с помощью триммеров. Напряжение питания усилителя мощности составляет 50В.
В схеме двухтактного усилителя мощности (рис. 12) пара транзисторов VRG154 способна при напряжении питания 40В отдавать на выходе мощность 1кВт. Для стабилизации напряжения смещения мощных полевых транзисторов и температурной компенсации используется специальный термочувствительный стабилизатор напряжения смещения на интегральной микросхеме IC1. Согласование импедансов источника входного сигнала и входа усилителя обеспечивается с помощью ВЧ-трансформаторов T1. Для согласования выходного импеданса с импедансом нагрузки применены цепи на отрезках линий передачи их коаксиального кабеля [13].
Сверхвысоковольтные VDMOS с напряжением на стоке более 1000 В
Транзистор ARF1505 (рис. 13) - это сверхвысоковольтный мощный полевой транзистор с максимальным напряжением на стоке 1200В, током стока 25А и рассеиваемой мощностью 1500Вт.
Для обеспечения стабильной работоспособности такого мощного транзистора необходимо жестко закрепить его на поверхности радиатора или теплоотводящей пластины. Способ крепления и размеры корпуса этого транзистора представлены на рис. 14.
Графики зависимости емкости от напряжения «сток-исток» у этого прибора нелинейные (рис. 15). При напряжении «сток-исток» 1В они превышают 10 000 пФ, но с ростом этого напряжения быстро падают. В технических данных на этот транзистор указаны следующие средние значения емкостей:
• входная - 5400пФ;
• выходная - 400пФ;
• проходная - 160пФ.
Выходные ВАХ транзистора ARF1505 показаны на рис. 16. Пороговое напряжение отсечки у этих приборов от 3 до 6В. Для сверхвысоковольтного прибора видимые на рис. 16 уровни остаточного напряжения малы. Температурный диапазон работы транзистора лежит в пределах от -55 до +175°C.
Тестовая схема усилителя мощности на частоту 27МГц с напряжением питания 300В показана на рис. 17. Схема проста и от простейших схем отличается отрезком линии передачи во входной цепи. На рис. 17 справа показана конструкция этого усилителя на печатной плате. Выходная мощность усилителя - 750Вт при коэффициенте полезного действия 75% и коэффициенте усиления 17 дБ. Усилитель работает в классе C.
Мощные VDMOS с частотой выходного сигнала более 100 МГц
Представительную, хотя и не очень многочисленную группу VDMOS составляют транзисторы с повышенной (100МГц и выше) частотой выходного сигнала. Их данные приведены в таблице 2.
Одним из таких приборов является высокочастотный транзистор VRF151, изображённый на рис. 18. Свои рабочие параметры он реализует при напряжении питания 50В.
Почти аналогичный транзистор VRF150 имеет мощность выходного сигнала 150Вт на немного более низкой частоте - 150 МГц. А транзистор VRF141 позволяет получать мощность 150Вт на частоте 175МГц при более низком напряжении питания - 28 В. VRF151 имеет рабочее напряжение на стоке до 170В, ток стока 16A, рассеиваемую на стоке мощность до 300Вт и температурный диапазон работы от -65 до +150°C. Выходные и передаточные характеристики прибора показаны на рис. 19.
Высокочастотные мощные полевые транзисторы имеют на порядок меньшие показатели емкости, чем их менее высокочастотные собратья. Это видно на представленном рис. 20. Средние значения емкостей составляют: входная - 375пФ, выходная - 200пФ и проходная емкость - 12пФ. Эти, вполне умеренные значения емкостей расширяют частотный диапазон работы транзисторов до частот примерно 200МГц.
Графики зависимости выходной мощности от мощности входного сигнала показаны на рис. 21 при двух значениях напряжения питания тестовой схемы - 50 и 40В. Вид этих графиков типовой, и каких-либо особенностей они не имеют.
Для ВЧ- и СВЧ-транзисторов часто указывают параметры вносимых ими искажений. На рис. 22 представлены кривые интермодуляционных искажений для транзистора VRF151.
Тестовая схема однотактного усилителя мощности на частоту 175МГц показана на рис. 23.
Ряд транзисторов этой группы выпускается в более дешевых пластмассовых корпусах, рассчитанных на меньшую мощность. Например, это транзистор ARF449 (рис. 24).
Он тестируется в схеме на частоте 81,36МГц. Зависимость мощности выходного сигнала от мощности входного сигнала для усилителя мощности на транзисторе ARF449 показана на рис. 25.
На рис. 26 представлена тестовая схема усилителя мощности на транзисторе ARF449, работающего в классе C. Усилитель обеспечивает мощность выходного сигнала 90Вт, КПД 75% и коэффициент усиления 13дБ.
Сдвоенный мощный низковольтный VDMOS транзистор VRF141G
Для создания двухтактных СВЧ-усилителей мощности с низковольтным 28В питанием (напряжение 28В) служит сдвоенный мощный низковольтный VDMOS VRF141G (рис. 27). Под маркой MRF141G этот прибор выпускает и другой производитель высокочастотных компонентов - компания Motorola. Усилители мощности на этих транзисторах обеспечивают мощность 300Вт на частоте 175 МГц при напряжении питания 28В.
Выходные ВАХ и передаточные характеристики одного транзистора VRF141G показаны на рис. 28, а зависимость емкостей этих приборов от напряжения «сток-исток» приведена на рис. 29. Это типичные характеристики для мощных низковольтных VDMOS полевых транзисторов.
Типовой является и характеристика зависимости параметров емкостей (для одного транзистора) от напряжения «сток-исток».
На рис. 30 представлена тестовая схема двухтактного усилителя мощности на сдвоенном мощном VDMOS VRF141G. Входной фазоинвертор и устройство согласования входного импеданса с импедансом источника входного сигнала выполнены по схеме широкополосного трансформатора на трех отрезках коаксиального кабеля. Выходной трансформатор также построен на трех отрезках коаксиального кабеля. Приняты меры по ослаблению проникновения гармоник выходного сигнала в цепь источника питания с напряжением 28В. Усилитель обеспечивает КПД в 50% и типовой коэффициент усиления 14дБ на частоте 175МГц.
Мощные высоковольтные сверхскоростные VDMOS транзисторы со встроенными драйверами
Особенно высокими энергетическими показателями обладают мощные высоковольтные VDMOS со встроенным драйвером управления затвором (табл. 3). По существу, это гибридные микросхемы, содержащие мощные транзисторы с драйверами и ряд бескорпусных компонентов внутри единого корпуса. Применение встроенного драйвера (или двух драйверов в приборах с двумя мощными транзисторами) обеспечивает время переключения мощных приборов в единицы нс, что позволяет использовать их в усилителях класса D (работающих в ключевом режиме) с частотой выше 10МГц с высоким КПД до 90%.
На рис. 31 показан одиночный (N = 1) мощный высоковольтный транзистор DRF1200 со встроенным драйвером управления затвором. Драйвер требует дополнительного напряжения питания 15–18В. Входное напряжение драйвера 3В. Прибор DRF1201 содержит два параллельно включенных VDMOS транзистора, что увеличивает ток стока до 26A.
Функциональная схема драйвера показана на рис. 32. Драйвер построен на основе скоростного триггера Шмитта и двухтактной схемы быстрого заряда-разряда входной емкости мощного полевого транзистора, куда входят комплементарные полевые транзисторы средней мощности.
На рис. 33 представлена схема, в которой тестируется прибор. По существу, это схема ключа на мощном полевом транзисторе с резистивной нагрузкой RL.
На рис. 34 приведены осциллограммы процессов переключения ключа на транзисторе DRF1200 с драйвером. Напряжение питания ключа 800В, сопротивление нагрузки 51Ом. Время выключения ключа в 3,4нс - это очень малое значение для такого мощного ключа. Сопротивление «сток-исток» включенного транзистора 0,9Ом. Максимальное напряжение на стоке полевого транзистора - 1000В, максимальная рассеиваемая транзистором мощность - 360Вт. Типовые значения емкостей: входная - 2000пФ, выходная - 165пФ, проходная - 75пФ.
Печатная плата тестовой схемы ключа на транзисторе DRF1200 показана на рис. 35. Благодаря тестированию во временной, а не в частотной области, конструкция платы заметно упрощена. Разумеется, прибор можно использовать и в частотной области для построения усилителей мощности с частотой до 30МГц. Транзистор DRF1200 предназначен для построения усилителей мощности класса E и преобразователей с импульсным регулированием.
Выпускаются также мощные двойные (N = 2) высоковольтные VDMOS DRF1301 (рис. 36) для двухтактных устройств. Их применение может упростить построение некоторых устройств мощной усилительной и преобразовательной техники.
Для демонстрации возможностей мощных VDMOS со встроенными драйверами фирма Microsemi выпускает ряд генераторов мощных синусоидальных сигналов с выходной мощностью от 600 до 2500Вт. Два из них показаны на рис. 37.
Прибор VDMOS DRF1400 содержит полумост из двух высоковольтных транзисторов с драйверами затвора [13]. Он предназначен для построения усилителей, работающих в классе D (в ключевом режиме) (рис. 38). Их транзисторы управляются прямоугольными импульсами с широтно-импульсной модуляцией. Когда верхний транзистор открыт, нижний - закрыт. И наоборот.
На рис. 39 показаны платы, образующие тестовый генератор c усилителем класса D на приборе DRF1400. Усилитель обеспечивает на рабочей частоте 13,56 МГц выходную мощность 1,7кВт при КПД 87%.
Моделирование устройств на VDMOS в системе MATLAB+Simulink
Сложность расчета и построения мощных высокоскоростных устройств и трудности их экспериментальной отладки делают важным математическое моделирование таких устройств. В последние годы одной из основных систем для такого моделирования является матричная система MATLAB с пакетом блочного имитационного моделирования Simulink [9–11].
В последней реализации этой системы MATLAB+Simulink R2012 a имеются пакеты расширения SimPowerSystem и SimElectronics, библиотеки моделей которых содержат мощные MOSFET и средства их контроля, в том числе расчета температуры внутренней области и рассеиваемой мощности. При этом есть как упрощенные модели, так и SPICE-совместимые. Встроенный пример моделирования характериографа позволяет легко подобрать параметры MOSFET c ВАХ нужного вида.
Для примера рассмотрим моделирование мощного усилителя звуковой частоты с широтно-импульсным регулятором. Диаграмма модели усилителя представлена на рис. 40. В правой ее части показано окно установки входного сигнала — две синусоиды с частотами 2000 и 2500Гц и амплитудой 15В. В диаграмме использован блок Feedback Controller широтно-импульсного регулятора из пакета расширения SimElectronics. Преобразование идет на частоте 1МГц.
Субмодель мостового регулятора на двух полумостах с мощными MOSFET представлена блоком MOSFETS&Filters. Сделав на этом блоке двойной щелчок правой клавишей мыши, можно вывести диаграмму моделей ключей: она показана на рис. 41 сверху. Там же показаны диаграммы субмоделей LC-фильтров, которые гасят пульсации сигнала, связанные с широтно-импульсным характером регулирования.
Эта модель с помощью виртуального осциллографа строит временные диаграммы работы усилителя (рис. 42 сверху) и спектр мощности частот входного и выходного сигналов. Он показан на рис. 42 снизу. Для получения этих данных модель запускают на исполнение кнопкой с изображением черного треугольника в панели инструментов диаграммы модели (рис. 40).
Входной сигнал в виде двух синусоид дает характерные биения, в результате чего он напоминает сигнал модуляции. Он позволяет оценить динамику и динамический диапазон усилителя. На осциллограммах (рис. 42) представлены выходной сигнал, сигнал ошибки и входной сигнал широтно-импульсного регулятора. Нетрудно заметить, что на глаз входной и выходной сигнал имеют одинаковую форму и отличаются только масштабом.
Заключение
Мощные полевые радиочастотные транзисторы класса VDMOS удачно сочетают достоинства VMOS-транзисторов с приборами класса DMOS. Несколько уступая приборам VMOS по значениям максимальной рабочей частоты, они заметно превосходят их по основным энергетическим параметрам — выходной мощности, рабочим напряжениям и токам стока. Обширная номенклатура выпускаемых фирмой Microsemi полевых транзисторов класса VDMOS позволяет строить на них усилители с мощностью выходного сигнала от единиц Вт до 1–2,5 кВт на частоте от 10 до 150 МГц. Такие усилители применяются в телевизионной, спутниковой, радиолокационной, медицинской аппаратуре и аппаратуре для связи, успешно заменяя применяемые ранее устройства на электронных лампах и биполярных транзисторах.
Литература
1. Бачурин В. В., Дьяконов В. П., Сопов О. В. Мощные высокочастотные и сверхвысокочастотные МДП-транзисторы // Электронная промышленность. 1979. № 8.
2. Бачурин В. В., Дьяконов В. П., Сопов О. В. Мощный высокочастотный МДП-транзистор КП904 // Электронная промышленность. 1979. № 5.
3. Бачурин В. В., Бычков С. С., Дьяконов В. П., Прушинский А. К. Мощный кремниевый сверхвысокочастотный МДП-транзистор КП908 // Электронная промышленность. 1980. № 1.
4. Асессоров В., Кожевников В., Дикарев В., Цоцорин А. Мощные ВЧ и СВЧ полевые транзисторы для аппаратуры средств радиосвязи // Компоненты и технологии. 2006. № 5.
5. Захаров В. Мощные СВЧ-транзисторы фирмы Philips Semicomductor // Компоненты и технологии. 2003. № 6.
6. Дьяконов В. П. Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор // Силовая электроника. 2011. № 3.
7. Бачурин В. В., Ваксембург В. Я., Дьяконов В. П. и др. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник. М.: Радио и связь, 1994.
8. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН-Р, 2002.
9. Дьяконов В. П. Физическое моделирование схем на полевых транзисторах в Simulink и SimElectronics // Компоненты и технологии. 2011. № 11.
10. Дьяконов В. П. Моделирование в MATLAB+Simulink электронных компонентов, систем и устройств // Компоненты и технологии. 2011. № 4.
11. Дьяконов В. П. MATLAB и Simulink для радиоинженеров. М.: ДМК-Пресс, 2011.
12. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. М.: Мир, 1990.
13. Gui Shoi. 13.56 MHz. Class-D Half Bridge, RF Generator with EDF1400. Application Note 1817. Microsemi. March 2012.
