高可靠固態(tài)射頻電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛新 董佳興 董亮

摘 要：本文針對等離子消毒系統(tǒng)所用傳統(tǒng)射頻電源工作效率低、穩(wěn)定性及可靠性差等關(guān)鍵技術(shù)問題，采用固態(tài)射頻大功率場效應(yīng)管設(shè)計(jì)射頻電源。該射頻電源工作頻率為13.56 MHz，實(shí)測輸出功率大于500 W，電源轉(zhuǎn)換效率大于70%。通過與等離子消毒柜用戶緊密合作，所設(shè)計(jì)的固態(tài)射頻電源達(dá)到了良好的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：射頻電源；高可靠；高效率

0 引言

射頻電源是一種可以產(chǎn)生高頻正弦波電壓的特殊電源，在電子工業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)療美容等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。早期的射頻電源基本上采用電子管技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，其產(chǎn)品占市場的主導(dǎo)地位，但是這類電源有體積大、使用壽命短、能耗大和工作電壓高不夠安全等諸多缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響射頻電源設(shè)備的應(yīng)用。目前基于大功率射頻微波半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了主流，晶體管的體積只及電子管的十分之一至百分之一，而且具有效率高、壽命長、低工作電壓、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此采用晶體管為功率器件設(shè)計(jì)的固態(tài)射頻電源已經(jīng)被廣泛使用。

本文設(shè)計(jì)的固態(tài)射頻電源主要功能是將機(jī)內(nèi)石英晶振產(chǎn)生的13.56 MHz正弦波信號放大至500 W功率，用于將醫(yī)用消毒罐中處于接近真空狀態(tài)下的空氣分子激發(fā)到等離子態(tài)，實(shí)現(xiàn)消毒殺菌的目的。作為等離子射頻激勵(lì)源，本機(jī)還具有遙控功能、過熱保護(hù)功能以及輸出功率分檔等功能。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)等離子消毒系統(tǒng)對射頻電源的指標(biāo)要求進(jìn)行整機(jī)方案考慮，本方案中射頻電源主要由兩部分組成：射頻功率源和阻抗匹配器。其中射頻功率源主要由晶振電路、三級級聯(lián)功放電路組成，文中詳細(xì)介紹了各級功率放大電路的設(shè)計(jì)以及功率器件的具體選擇，并對末級模塊進(jìn)行了重點(diǎn)論述。阻抗匹配器采用大功率電感和可調(diào)電容組成L型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)調(diào)諧電路諧振電壓高和通過功率大的要求，可調(diào)電容選用了大型單聯(lián)空氣平板電容，調(diào)諧電感選用空心銅管進(jìn)行制作；針對射頻電源在工作時(shí)易熱和功率管易失配損壞的特性，本機(jī)還專門設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)溫度檢測和各種保護(hù)電路，提高射頻電源工作時(shí)的可靠性。

1.1射頻功率源

射頻通路組成框圖如圖2所示。整個(gè)射頻電路全部采用了已經(jīng)應(yīng)用成熟的功率器件以及合成器、耦合檢波器等電路，晶振電路采用13.56 MHz方波晶振進(jìn)行低通濾波得到正弦波。

前級模塊電路如圖3所示，主要由一片MINI公司的ERA-5SM集成功放、一片ST公司的LDMOS功率管PD57018組成，其中輸入端加入由PIN管組成的電調(diào)衰減器，在環(huán)境溫度變化和整機(jī)負(fù)載變化的情況下起到穩(wěn)定整機(jī)輸出功率的作用。

末級模塊采用Freescale公司（編者注：2015年被恩智浦收購）大功率LDMOS功放管MRFE6VP5600HR6進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，如圖4，其額定輸出連續(xù)波功率600 W，增益25 dB，效率大于75%，關(guān)鍵是其輸出抗負(fù)載失配能力達(dá)到65：1，非常適合各種工業(yè)用途中的惡劣使用環(huán)境。本模塊輸入輸出匹配電路均使用傳輸線變壓器制作的阻抗變換電路，輸入為9：1阻抗變換，輸出為1：4阻抗變換[2]。

耦合檢波器電路如圖5所示，主要由定向耦合器、檢波器兩部分構(gòu)成，定向耦合器是一種單向的分功率器件，具有方向性，可以從直通線的正向波中耦合設(shè)定比例功率到采樣端口，而從反向波中耦合出的功率非常小。利用這個(gè)單向耦合傳輸特性可以對主射頻通道中的入射波和反射波分別進(jìn)行取樣，這樣可以檢測主通道傳輸和反射功率的大小，并配合阻抗匹配器的調(diào)整實(shí)時(shí)監(jiān)測整機(jī)負(fù)載的匹配情況。這里采用傳統(tǒng)的集中參數(shù)變壓器耦合形式，檢波器采用成熟的二極管檢波電路，為了保證檢測電壓不受諧波影響，在耦合檢波器前增加了一個(gè)三階低通濾波器，用于濾除各次諧波。

1.2 阻抗匹配器

射頻傳輸?shù)男赎P(guān)鍵在于阻抗匹配。隨著理論和工程應(yīng)用的進(jìn)步國內(nèi)外研究人員已經(jīng)發(fā)展了各種各樣的阻抗匹配技術(shù)，但是在不同的系統(tǒng)中需要有針對性的分析應(yīng)用，權(quán)衡各方面的因素才能得到比較合理的方案。為了實(shí)現(xiàn)功率源與負(fù)載之間的功率匹配，減少功率損耗，一般是在功率源和實(shí)際負(fù)載之間加入一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，將固定阻抗變?yōu)槠渌枰淖杩怪怠?/p>

本文的設(shè)計(jì)是倒L型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)作為匹配器的主體結(jié)構(gòu)[3]，其中可調(diào)電容C1用于調(diào)節(jié)匹配負(fù)載阻抗的實(shí)部，C2用于調(diào)節(jié)匹配負(fù)載阻抗的虛部，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)節(jié)的最終目的就是使射頻源端口和負(fù)載端口的反射系數(shù)逼近為零。

本設(shè)計(jì)中的調(diào)諧電感L選用φ5的空心銅管進(jìn)行繞制，可調(diào)電容C1、C2均為大型空氣平板電容，其電容值C和極板間距d成反比，與極板相對面積S、介電常數(shù)ε成正比，各參數(shù)之間的關(guān)系如下式：

CSd=ε/ 4πk

從公式中可以看出，要改變電容值，只需要改變電容的極板間距d和相對面積S即可，在本設(shè)計(jì)中是通過旋轉(zhuǎn)一組相連的極板，改變兩組極片相對面積S，進(jìn)而改變電容器的電容值。當(dāng)電容的兩組極片完全相對時(shí)，電容值最大，反之則最小。阻抗匹配范圍為：（2.5～45）±j（0～70）。匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：電感L=47 μH，C1的變化范圍為（2.0～100） pf，C2的變化范圍為（50～1 000） pf。

2 關(guān)鍵技術(shù)

射頻功率放大器最大的弱點(diǎn)就是功率管易損壞，對于過氧化氫等離子消毒柜射頻電源來說，加電瞬間負(fù)載是接近開路狀態(tài)，如果采用傳統(tǒng)的有過沖的控制模式會(huì)產(chǎn)生如圖7所示波形，加電瞬間功放處于飽和功率輸出狀態(tài)，由于此時(shí)負(fù)載全反射，功率幾乎全部疊加到功放管的輸出端，極端情況下會(huì)導(dǎo)致功率管的損傷。

本設(shè)計(jì)變常規(guī)的控制電路為新型無過沖控制電路，以適應(yīng)用戶消毒罐（也就是射頻功率源的負(fù)載）的激發(fā)特性，無過沖控制的原理如圖8，其設(shè)計(jì)思想為：加電瞬間，功放輸出功率100 W左右，即使消毒罐全反射，功率管也能容忍。由于100 W的功率已經(jīng)可以使消毒罐啟輝，因此在啟輝前受到駐波保護(hù)，功放始終處于100 W的低功率輸出，使功放自身處于受保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)消毒罐啟輝后，功放負(fù)載特性改變，駐波保護(hù)逐漸撤銷，功率開始上升，直到達(dá)到最大輸出功率500 W。最終功放安全的工作在500 W輸出狀態(tài)，負(fù)載端口駐波保持在3以下。

當(dāng)采用無過沖控制時(shí)，功率輸出相應(yīng)特性如圖9所示，在50 Ω負(fù)載時(shí)性能非常理想。與用戶設(shè)備聯(lián)試長期工作時(shí)無過沖的功放在相同的應(yīng)用條件下均無損壞，可靠性非常高。

3 實(shí)測結(jié)果

本方案設(shè)計(jì)的射頻電源如圖11所示，供電采用220 V AC，實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示，在13.65 MHz工作頻點(diǎn)上，輸出功率大于500 W，AC-RF轉(zhuǎn)換效率大于70%。

4 結(jié)束語

本文采用石英晶振電路和三級級聯(lián)功放來完成13.56 MHz 500 W射頻電源設(shè)計(jì)。為提高射頻電源的信號頻率穩(wěn)定度，使用石英晶振電路作為信號產(chǎn)生電路；為減小射頻電源的體積和重量，用大功率LDMOS管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子管。射頻電源的末級放大器采用AB類推挽功率放大電路，提高了整機(jī)AC-RF轉(zhuǎn)換效率，有效減少工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，達(dá)到安全與節(jié)能的效果。關(guān)鍵技術(shù)采用無過沖控制模式消除射頻功率管的瞬態(tài)過載狀態(tài)，極大地增加了設(shè)備的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] MRFE6VP5600HR6 datasheet. Rev1.1.

[2] 張紀(jì)綱.射頻鐵氧體寬帶器件[M].北京：科學(xué)出版社，1986.

[3] GREBENNIKOV A.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)[M].張玉興，趙宏飛，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.