孫小孟，崔 晨，林亭廷，趙麗莉，李勇滔

(1.中國(guó)科學(xué)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(dǎo)體設(shè)備技術(shù)的發(fā)展以及生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度的提高，對(duì)大功率、體積小、轉(zhuǎn)化效率高、可靠性高的射頻電源應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前半導(dǎo)體設(shè)備以進(jìn)口電源為主，不僅價(jià)格高，也不利于設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。射頻電源采用D類功率放大模式，主要由驅(qū)動(dòng)電路、功率放大電路、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、定向耦合器、可調(diào)開(kāi)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(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)功率放大電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)經(jīng)由諧振網(wǎng)絡(luò)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，功率計(jì)將檢測(cè)到的電壓信號(hào)反饋給單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)直流電源的電壓控制信號(hào)進(jìn)行控制直流輸出，進(jìn)而控制射頻電源的功率輸出。

1 功率驅(qū)動(dòng)級(jí)

對(duì)于本論文所論述的射頻電源的驅(qū)動(dòng)級(jí)來(lái)說(shuō)，就是要產(chǎn)生頻率13.56MHz、占空比為50%驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)功率放大級(jí)MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)，13.56MHz的信號(hào)源接驅(qū)動(dòng)芯片MRF150的柵極，其特性參數(shù)如表1所示，漏級(jí)接偏置電源，使驅(qū)動(dòng)芯片處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的好壞會(huì)影響射頻電源功率放大級(jí)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(guò)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(dòng)型號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的柵極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由圖3可以看出晶振輸出的信號(hào)不太規(guī)整，波形上很多毛刺，經(jīng)過(guò)三極管信號(hào)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(kāi)關(guān)電源通過(guò)并聯(lián)去耦電容與串聯(lián)扼流圈與驅(qū)動(dòng)芯片(N1)的漏極相連,其中去耦電容的作用是防止高頻信號(hào)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(shí)也可阻止高頻信號(hào)流過(guò)直流電流通路[2]。通過(guò)PM1來(lái)調(diào)節(jié)加載在驅(qū)動(dòng)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(jiàn)表1。

表1 驅(qū)動(dòng)芯片特性參數(shù)

圖2 信號(hào)驅(qū)動(dòng)

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(shè)計(jì)方案，如圖5所示，功率放大電路由4個(gè)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(hào)再通過(guò)傳輸線壓器耦合成一路完整的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。電源的輸出功率達(dá)到1500W，每個(gè)晶體管的輸出功率為375W。

13.56 MHz占空比為50%的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻變壓器T1使上下兩組晶體管獲得反相的激勵(lì)電壓，使得兩組晶體管交替導(dǎo)通，即N2、N3導(dǎo)通N4、N5截止，N2、N3截止 N4、N5導(dǎo)通[3]。驅(qū)動(dòng)信號(hào)與功率放大器的門(mén)極相聯(lián)，源級(jí)接地，漏級(jí)直流功率可在13.56Mz信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(guò)合適的匹配網(wǎng)絡(luò)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(luò)將輸入阻抗匹配到同軸電纜的特性阻抗50Ω。

由于每個(gè)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(gè)可調(diào)電阻(PM1、PM2、PM3、PM4)，用來(lái)微調(diào)每個(gè)晶體管的偏置電壓，從而保證4個(gè)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(jí)和源級(jí)并聯(lián)3個(gè)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(shí)其漏級(jí)和柵極會(huì)導(dǎo)通，漏極的電壓就會(huì)反饋到柵極，此時(shí)二極管會(huì)反相截止，從而保護(hù)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(guò)統(tǒng)一的諧振網(wǎng)絡(luò)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后輸出。先匹配再耦合即每路晶體管配有各自獨(dú)立阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，將輸出阻抗匹配為傳輸線的特征阻抗50Ω，經(jīng)過(guò)LC諧振網(wǎng)絡(luò)濾波后輸出標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)方式，優(yōu)點(diǎn)有：

（1）能夠更好地保持每路晶體管的獨(dú)立性，這樣就能避免晶體管個(gè)體的不同而帶來(lái)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(biāo)準(zhǔn)正弦波后再耦合，使功率合成更容易實(shí)現(xiàn)。

漏級(jí)直流開(kāi)關(guān)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(shí)開(kāi)關(guān)電源輸出功率2307W，直流功率裕度23.1%，在射頻阻抗匹配過(guò)程中對(duì)于漏級(jí)直流開(kāi)關(guān)電源來(lái)講其輸出電壓不變，電流變化幅度較大，因此對(duì)開(kāi)關(guān)電源電流輸出要求較高。功率合成是將幾個(gè)功率放大器的輸出功率疊加起來(lái)，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(hào)再通過(guò)傳輸線壓器耦合成一路完整的信號(hào)。

傳輸線變壓器是在傳輸線和變壓器理論基礎(chǔ)上將二者有機(jī)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(diǎn)，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(diǎn)，因體積小、頻帶寬、隔離度高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

如表2所示，經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)試，射頻電源輸出1500W時(shí)效率能夠保持在65%以上，效率達(dá)不到100%的原因?yàn)楣β史糯笃髟诠ぷ鲿r(shí)存在耗散功率以及匹配網(wǎng)絡(luò)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(shí)即開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，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(dǎo)通時(shí)即開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，在功率放大器的漏極只有電流而電壓為零。進(jìn)而在整個(gè)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(shí)際的大功率MOS管開(kāi)關(guān)時(shí)存在著開(kāi)關(guān)延時(shí)，此時(shí)會(huì)有開(kāi)關(guān)損耗[4]。晶體管導(dǎo)通時(shí)也會(huì)有一定電阻，此電阻就會(huì)消耗一定功率。耗散功率會(huì)使功率放大器發(fā)熱，會(huì)影響降低功率放大器的效率，如果超過(guò)最大允許耗散功率PCM功率放大器就會(huì)燒掉，因此及時(shí)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(guò)流水來(lái)將熱量散發(fā)出去。射頻電源輸出1500W時(shí)，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(cè)試參數(shù)

4 結(jié) 論

本論文著重分析了電源的驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)正弦波。經(jīng)實(shí)際測(cè)試電源在穩(wěn)定輸出1500W時(shí)，整機(jī)效率達(dá)到65.16%，電源采用單片機(jī)閉環(huán)控制輸出精度高，具有軟件保護(hù)功能。本產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用于等離子刻蝕、射頻濺射等半導(dǎo)體設(shè)備中，供給各大高校及半導(dǎo)體企業(yè)。