基于D類放大器的固態(tài)射頻電源研究

孫小孟，崔 晨，林亭廷，趙麗莉，李勇滔

(1.中國科學院微電子研究所，北京 100029；2.北京泰龍電子技術(shù)有限公司，北京 100029)

隨著半導體設備技術(shù)的發(fā)展以及生產(chǎn)過程自動化程度的提高，對大功率、體積小、轉(zhuǎn)化效率高、可靠性高的射頻電源應用越來越廣泛。目前半導體設備以進口電源為主，不僅價格高，也不利于設備國產(chǎn)化。射頻電源采用D類功率放大模式，主要由驅(qū)動電路、功率放大電路、阻抗匹配網(wǎng)絡、定向耦合器、可調(diào)開掛電源、控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。晶振產(chǎn)生的13.56MHz的信號經(jīng)過驅(qū)動電路對功率放大電路進行驅(qū)動，經(jīng)過放大的信號經(jīng)由諧振網(wǎng)絡、阻抗匹配網(wǎng)絡后波形為標準正弦波，功率計將檢測到的電壓信號反饋給單片機控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)可調(diào)直流電源的電壓控制信號進行控制直流輸出，進而控制射頻電源的功率輸出。

1 功率驅(qū)動級

對于本論文所論述的射頻電源的驅(qū)動級來說，就是要產(chǎn)生頻率13.56MHz、占空比為50%驅(qū)動信號對功率放大級MOS管的柵極驅(qū)動，13.56MHz的信號源接驅(qū)動芯片MRF150的柵極，其特性參數(shù)如表1所示，漏級接偏置電源，使驅(qū)動芯片處于開關狀態(tài)，驅(qū)動信號的好壞會影響射頻電源功率放大級的轉(zhuǎn)換效率與功率輸出的穩(wěn)定性[1]。如圖2所示，直流電源通過電容濾波、78L05穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的5V電壓作為有源晶振的輸入電源，晶振產(chǎn)生的13.56MHz驅(qū)動型號對驅(qū)動芯片的柵極進行驅(qū)動。由圖3可以看出晶振輸出的信號不太規(guī)整，波形上很多毛刺，經(jīng)過三極管信號放大、變壓器降壓、電容濾波后波形上的噪聲明顯改善，如圖4所示。24V開關電源通過并聯(lián)去耦電容與串聯(lián)扼流圈與驅(qū)動芯片(N1)的漏極相連,其中去耦電容的作用是防止高頻信號耦合到直流電流而影響其工作效率，扼流圈的作用是使直流源的電流有平坦的傳輸特性，同時也可阻止高頻信號流過直流電流通路[2]。通過PM1來調(diào)節(jié)加載在驅(qū)動芯片N1的偏置電壓，保證了電源能夠穩(wěn)定輸出1500W。

圖1 射頻電源結(jié)構(gòu)框圖

MRF150特性參數(shù)見表1。

表1 驅(qū)動芯片特性參數(shù)

圖2 信號驅(qū)動

圖3 晶振輸出波形

圖4 濾波后波形

2 功率放大及合成

射頻電源采用低壓大電流設計方案，如圖5所示，功率放大電路由4個射頻MOSFET晶體管(N2、N3、N4、N5) 組成，兩兩并聯(lián)組成推挽電路(N2與N3組合，N4與N5組合)，兩組放大信號再通過傳輸線壓器耦合成一路完整的信號，信號經(jīng)過諧振網(wǎng)絡及網(wǎng)絡阻抗匹配網(wǎng)絡后輸出為標準正弦波。電源的輸出功率達到1500W，每個晶體管的輸出功率為375W。

13.56 MHz占空比為50%的驅(qū)動信號經(jīng)過高頻變壓器T1使上下兩組晶體管獲得反相的激勵電壓，使得兩組晶體管交替導通，即N2、N3導通N4、N5截止，N2、N3截止 N4、N5導通[3]。驅(qū)動信號與功率放大器的門極相聯(lián)，源級接地，漏級直流功率可在13.56Mz信號驅(qū)動下，使放大器工作在D類放大狀態(tài)而轉(zhuǎn)化為13.56MHz的射頻功率。經(jīng)過合適的匹配網(wǎng)絡才能保證放大器工作在D類放大狀態(tài)將直流電源功率盡可能大的轉(zhuǎn)換成射頻功率，而不是消耗在功率放大器上,匹配網(wǎng)絡將輸入阻抗匹配到同軸電纜的特性阻抗50Ω。

由于每個晶體管的特性不能保證完全一致，在高頻環(huán)境中電路中產(chǎn)生的分布參數(shù)等影響，在24V偏壓電源的輸出端都有一個可調(diào)電阻(PM1、PM2、PM3、PM4)，用來微調(diào)每個晶體管的偏置電壓，從而保證4個晶體管有相同的輸出，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定[3]。每組晶體的漏級和源級并聯(lián)3個5W的水泥電阻，起到平衡晶體管耗散功率的作用，晶體管燒壞時其漏級和柵極會導通，漏極的電壓就會反饋到柵極，此時二極管會反相截止，從而保護穩(wěn)壓電路。

電源的輸出方式目前比較常用的有先耦合再匹配以及先匹配再耦合兩種方式。先耦合再匹配即先將每組晶體管的輸出功率耦合后再經(jīng)過統(tǒng)一的諧振網(wǎng)絡、阻抗匹配網(wǎng)絡后輸出。先匹配再耦合即每路晶體管配有各自獨立阻抗匹配網(wǎng)絡，將輸出阻抗匹配為傳輸線的特征阻抗50Ω，經(jīng)過LC諧振網(wǎng)絡濾波后輸出標準的正弦波。

圖5 功率放大及合成

本電源的輸出采用先匹配再耦合的設計方式，優(yōu)點有：

（1）能夠更好地保持每路晶體管的獨立性，這樣就能避免晶體管個體的不同而帶來的輸出差異，電源更加穩(wěn)定；

（2）有利于功率合成，每組晶體管輸出標準正弦波后再耦合，使功率合成更容易實現(xiàn)。

漏級直流開關電源控制方式為0～5V模擬控制，輸出電壓0～50V，電流3～60A，射頻電源輸出1500W時開關電源輸出功率2307W，直流功率裕度23.1%，在射頻阻抗匹配過程中對于漏級直流開關電源來講其輸出電壓不變，電流變化幅度較大，因此對開關電源電流輸出要求較高。功率合成是將幾個功率放大器的輸出功率疊加起來，獲得足夠大的輸出功率。采用傳輸線變壓器將兩組放大信號再通過傳輸線壓器耦合成一路完整的信號。

傳輸線變壓器是在傳輸線和變壓器理論基礎上將二者有機結(jié)合而形成的新元件，它既具有變壓器的性能，又有傳輸線的特性，因此具有頻帶寬的特點，通常被用在射頻電子電路中。傳輸線變壓器結(jié)合了傳輸線與變壓器的優(yōu)點，因體積小、頻帶寬、隔離度高等優(yōu)點得到廣泛的應用。

3 測試數(shù)據(jù)分析

如表2所示，經(jīng)過實際的測試，射頻電源輸出1500W時效率能夠保持在65%以上，效率達不到100%的原因為功率放大器在工作時存在耗散功率以及匹配網(wǎng)絡中電容、電感的發(fā)熱。在理想的情況下，在功率放大器截止時即開關斷開時，在功率放大器的漏極只有電壓而電流為零。在功率放大器導通時即開關關閉時，在功率放大器的漏極只有電流而電壓為零。進而在整個射頻周期內(nèi)漏極電壓與電流的乘積為零即功率耗散為零。實際的大功率MOS管開關時存在著開關延時，此時會有開關損耗[4]。晶體管導通時也會有一定電阻，此電阻就會消耗一定功率。耗散功率會使功率放大器發(fā)熱，會影響降低功率放大器的效率，如果超過最大允許耗散功率PCM功率放大器就會燒掉，因此及時的把熱量散發(fā)顯得尤為重要。

本電源采用水冷散熱模式，通過流水來將熱量散發(fā)出去。射頻電源輸出1500W時，散發(fā)的熱量為807.6W，完全能將熱量散發(fā)出去，使電源能夠穩(wěn)定的輸出。

表2 測試參數(shù)

4 結(jié) 論

本論文著重分析了電源的驅(qū)動電路、功率放大電路，電源的輸出阻抗為傳輸線特性阻抗50Ω，能夠輸出標準正弦波。經(jīng)實際測試電源在穩(wěn)定輸出1500W時，整機效率達到65.16%，電源采用單片機閉環(huán)控制輸出精度高，具有軟件保護功能。本產(chǎn)品已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應用于等離子刻蝕、射頻濺射等半導體設備中，供給各大高校及半導體企業(yè)。