175 ℃功率MOSFET場效應(yīng)管在核磁共振功放電路中的應(yīng)用

師光輝,李夢春,,侯學(xué)理,,郭瑛,黎晗,葛斌,蔡長波

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司,陜西 西安 710077;2.中國石油天然氣集團(tuán)公司測井實(shí)驗(yàn)基地,陜西 西安 710077)

0 引 言

核磁共振測井儀中發(fā)射系統(tǒng)能夠?qū)⑿」β市盘柗糯鬄?00 V,瞬時(shí)電流達(dá)12 A,功率約3～4 kW,以激發(fā)巖層產(chǎn)生所需的回波信號并采集[1]。在高頻功率放大電路的各種技術(shù)指標(biāo)中,發(fā)射效率和溫度指標(biāo),一直是受到關(guān)注的重要課題。核磁共振功率放大電路系統(tǒng)采用單電源供電的雙全橋結(jié)構(gòu)功率放大電路,全橋功率放大電路又稱為D類功放電路,D類功放理論效率能達(dá)到100%,實(shí)際使用中,功率MOSFET場效應(yīng)管將產(chǎn)生一部分的耗散功率。該部分的耗散功率轉(zhuǎn)化為場效應(yīng)管的熱能使器件發(fā)熱,造成結(jié)溫升高,場效應(yīng)管長時(shí)間在超結(jié)溫的條件下工作,會(huì)發(fā)生器件損壞的情況,從而造成發(fā)射系統(tǒng)發(fā)生故障。

本文首先分析全橋電路的發(fā)射效率,同時(shí)計(jì)算單全橋電路在外界溫度為175 ℃、負(fù)載為300 Ω的條件下場效應(yīng)管的最大結(jié)溫,最后進(jìn)行場效應(yīng)管失效率的檢測。最終實(shí)現(xiàn)功率放大電路滿足測井儀高溫高壓、大功率、高電壓、大電流的要求。

1 全橋電路的發(fā)射效率

全橋功率放大電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器,綜合半橋以及推挽式電路的優(yōu)點(diǎn),使得電流不變,而極間電壓為單極結(jié)構(gòu)極間電壓的一半,功率場效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài),耗散功率較小,從而帶來足夠高的發(fā)射效率[2]。

D類功率放大器,最少有3種電路結(jié)構(gòu),互補(bǔ)電壓型D類功率放大、變壓器耦合電壓型D類功率放大器、變壓器耦合電流型D類功率放大器[3]。所設(shè)計(jì)的功率放大電路屬于變壓器耦合電壓型D類功率放大器,采用雙全橋結(jié)構(gòu)由8個(gè)射頻功率場效應(yīng)管組成,單個(gè)全橋電路示意圖見圖1。其中4路控制變壓器分別是TR1、TR2、TR3、TR4,構(gòu)成單全橋的4個(gè)場效應(yīng)管分別是T1、T2、T3、T4,電感L和電容C構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)。電阻RL、RLOAD分別是諧振濾波網(wǎng)絡(luò)等效電阻、負(fù)載電阻,發(fā)射高壓為En、-En(幅度可等效為VCC)。

圖1 單全橋電路結(jié)構(gòu)功放電路示意圖

核磁共振測井儀發(fā)射電路由2路全橋電路構(gòu)成,2路全橋電路在天線接口部分經(jīng)變壓器耦合后輸出至天線,同時(shí),2路發(fā)射信號相位由激勵(lì)模塊進(jìn)行控制。在天線上最大可以獲得2倍于單路的高壓信號,電路輸出的方波信號經(jīng)天線諧振電路后濾除其諧波成分[4]。發(fā)射器輸出基波電壓Vp表達(dá)式為

(1)

(2)

等效負(fù)載電阻RLOAD上得到的輸出功率為

(3)

電源提供的直流功率為

(4)

場效應(yīng)管效率為

(5)

從效率計(jì)算公式可以發(fā)現(xiàn),功率放大電路有部分能量損失在場效應(yīng)管上,該部分能量稱為耗散功率。耗散功率會(huì)使芯片發(fā)熱,加上外界溫度較高,功率MOSFET場效應(yīng)管長時(shí)間工作極有擊穿的可能。為了確定一個(gè)場效應(yīng)管是否適合于某特定應(yīng)用,必須計(jì)算一下其功率耗散PD,T,它主要包含阻性PD,R和開關(guān)損耗PD,S2部分。

PD,T=PD,R+PD,S

(6)

(7)

(8)

式中,ILOAD為負(fù)載電流;RDS(ON)為導(dǎo)通電阻;CRSS為場效應(yīng)管的反向傳輸電容;FSW為開關(guān)頻率;VOUT為輸出電壓;VIN為輸入電壓[5]。

2 耗散功率與結(jié)溫的關(guān)系

由于功率MOSFET場效應(yīng)管的功率耗散很大程度上依賴于它的導(dǎo)通電阻(RDS(ON)),但是場效應(yīng)管的RDS(ON)與它的結(jié)溫(TJ)有關(guān),TJ又依賴于場效應(yīng)管的功率耗散以及它的熱阻(ΘJA)。這里需要給定芯片結(jié)溫一個(gè)設(shè)定值,根據(jù)式(2)可以算出發(fā)射器殼體溫度。如果計(jì)算出的殼體溫度小于175 ℃,則結(jié)溫設(shè)定值偏低,再提高結(jié)溫繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算,當(dāng)計(jì)算出的殼體溫度達(dá)到或略高于175 ℃,此時(shí)的設(shè)定結(jié)溫即為芯片在175 ℃外界環(huán)境下正常工作的最大結(jié)溫。

TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)

(9)

式中,TJ(HOT)為最大結(jié)溫;TJ(RISE)為耗散功率引起的溫升;TAMBIENT為發(fā)射器殼體溫度。

RDS(ON)=RDS(ON)SPEC[1+0.005×(TJ(HOT)-TJ(SPEC))]

(10)

式中,RDS(ON)SPEC為計(jì)算所用的MOSFET導(dǎo)通電阻;TSPEC為規(guī)定RDS(ON)SPEC時(shí)的溫度。功率MOSFET場效應(yīng)管的典型溫度系數(shù)在0.35%/℃至0.5%/℃之間[6]。這里按最差情況下的溫度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,即溫度系數(shù)取0.005。

圖2 300、600 V高壓時(shí)輸出波形

3 高溫功率MOSFET場效應(yīng)管篩選

為滿足井下175 ℃高溫環(huán)境測井需要,發(fā)射器的溫度性能極其關(guān)鍵,場效應(yīng)管作為雙全橋電路的核心器件,它的耐溫性能的好壞直接關(guān)系到整支儀器的測井效果。目前市場上的功率MOSFET場效應(yīng)管耐溫多在150 ℃以下,超過175 ℃的芯片少之又少,批量芯片中又存在溫度性能欠佳的情況。本文經(jīng)過篩選判斷,功率MOSFET場效應(yīng)管APT14 M100B不僅在溫度性能方面表現(xiàn)優(yōu)異,而且滿足原有驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

3.1 全橋電路發(fā)射功率測試

發(fā)射器提供的直流高壓VCC=1 200 V,即En=600 V,-En=-600 V。發(fā)射頻率為1 MHz,1 ms內(nèi)發(fā)射高頻段占33 μs。功率MOSFET場效應(yīng)管型號為APT14M100B,全橋功率放大電路直接接300 Ω負(fù)載進(jìn)行測試。圖2為300、600 V直流高壓輸入對應(yīng)的輸出高壓波形?？梢?該芯片滿足設(shè)計(jì)需求。其中,不同高壓輸入時(shí),根據(jù)式(11),高頻段的平均功率PD(理論輸出功率)及發(fā)射效率計(jì)算見表1。

(11)

表1 全橋電路300 Ω負(fù)載功率測試

3.2 耗散功率與臨界最大結(jié)溫的計(jì)算

由式(9),通過迭代算法可計(jì)算合適的結(jié)溫TJ。其中功率MOSFET場效應(yīng)管APT14M100B的典型參數(shù):TSPEC=25 ℃時(shí),RDS(ON)SPEC=1.1 Ω,3個(gè)管并聯(lián)后RDS(ON)SPEC=0.66 Ω,由此可計(jì)算不同結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻RDS(ON)HOT以及耗散功率,從而計(jì)算耗散功率引起的溫升TJ(RISE)。這里假設(shè)外殼溫度TAMBIENT=175 ℃,發(fā)射器殼體材料采用鈹青銅,ΘJA大約為0.7 ℃/W,這里同樣取最差情況。迭代算法結(jié)果見表2。由表2可知,TJ=200 ℃時(shí),計(jì)算出的殼體溫度略高于175 ℃,故功率MOSFET場效應(yīng)管APT14M100B的臨界最大結(jié)溫為200 ℃[7]。

表2 臨界最大結(jié)溫計(jì)算

3.3 場效應(yīng)管APT14M100B高溫檢測

對場效應(yīng)管APT14M10B在200 ℃做溫度特性測試。芯片檢測采用分立元件測試系統(tǒng)JC3190,該系統(tǒng)能夠較好地檢測芯片各參數(shù),將芯片置于烘箱,可測試不同溫度條件下的參數(shù)變化情況,利用該系統(tǒng)進(jìn)行測試對芯片的破壞性極小,測試結(jié)果具有較好的參考價(jià)值。測試條件根據(jù)芯片手冊提供的芯片參數(shù)進(jìn)行測試,主要測試BVDSS(漏源擊穿電壓)、IDSS(漏極電流)、VGS(柵源閾值電壓)RDS(導(dǎo)通電阻)[8]。

根據(jù)使用要求、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及場效應(yīng)管實(shí)驗(yàn)規(guī)范,場效應(yīng)管導(dǎo)通阻抗的失效閾值百分比取為20%,即導(dǎo)通阻抗變化量超過初始值的20%時(shí)視為失效。50只場效應(yīng)管進(jìn)行溫度測試,從測試結(jié)果來看,部分場效應(yīng)管超過180 ℃時(shí),擊穿電壓閾值下降,實(shí)際使用中會(huì)造成芯片失效,導(dǎo)通電阻隨溫度變化趨勢和芯片手冊資料基本吻合,在結(jié)溫為200 ℃時(shí),RDS約為2 Ω,和上述計(jì)算結(jié)果大體一致。50只芯片測試結(jié)果顯示,結(jié)溫200 ℃芯片失效率為8%。

4 整機(jī)聯(lián)調(diào)測試

核磁共振測井儀發(fā)射器采用單電源雙全橋電路結(jié)構(gòu),單路發(fā)射高壓可以達(dá)到1 200 V,2路高壓經(jīng)激勵(lì)模塊調(diào)節(jié)相位,最大可以實(shí)現(xiàn)2 400 V的瞬時(shí)高壓信號。將電子線路置于烘箱中,加溫175 ℃,檢測核磁儀器質(zhì)量監(jiān)控指標(biāo)B1、增益GAIN、孔隙度φ等各參數(shù)如圖3示。測試結(jié)果顯示,B1波動(dòng)小于10,GAIN波動(dòng)小于80,φ波動(dòng)小于2.5 p.u.,各監(jiān)控指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。

圖3 175 ℃高溫功率MOSFET場效應(yīng)管應(yīng)用效果

5 結(jié) 論

(1) 井下175 ℃高溫環(huán)境給核磁共振測井儀帶來嚴(yán)峻考驗(yàn),同時(shí),發(fā)射器的耗散功率也會(huì)引起自身的發(fā)熱,功率MOSFET作為全橋發(fā)射電路的核心芯片最先受到高溫的沖擊而失效。

(2) 分析并計(jì)算了在175 ℃環(huán)境下功率MOSFET應(yīng)具備的臨界最大結(jié)溫,芯片APT14M100B能滿足設(shè)計(jì)電路需求,175 ℃高溫環(huán)境的臨界最大結(jié)溫應(yīng)為200 ℃。

(3) 通過在專用芯片檢測平臺(tái)測試,該芯片在200 ℃的失效率約為8%,由于這種檢測方法并非破壞性,通過篩選,可以在儀器上正常使用。

(4) 經(jīng)過整機(jī)聯(lián)調(diào)測試,再次驗(yàn)證該芯片在175 ℃環(huán)境下的可實(shí)用性。