脉冲高频1150-1KW-13.56-MHZE类高频发生器调谐模块

脉冲高频-11501KW13.56MHZE类高频发生器调谐模块马修·w·瓦尼亚定向能源公司摘要PRF-1150模块是一个独立的1KW13.56MHZ高频发生源。这个模块使DEI420射频场效应管门驱动集成电路和DEI275x2-102n06a射频场效应晶体管在实际13.56MHz射频发电机的应用程序便于操作和求值。它应用广泛，可先期测验，并且便于运行。引言DEI已经开发了射频模块去证明DEIC420射频MOSFET门驱动集成电路和DEI275-102n06x2a1000V6A在ISM(IndustrialScientificMedical)工业、科学、医学)的频段射频场效应晶体管频率的能力。PRF-1150模块产生13.56MHz，1000WCW的射频输出,85%的直流射频转换率。此模块为独立的射频放大器。如要产生1KW的射频输出，只需要满足外部直流源的供应。此模块尺寸如图表一所示：6.75*3.1*2.7”，包括空气冷却散热器和铜热分布。冲击来自于标准4.5的工用电扇为1KW输出级提供适当的冷却。标准0.1的双排和单排头被用于模块的直流输入和单直角同轴电缆卡环形接头（BNC——BayonetNeill-Concelman）连接器被用于1KW50Ω射频负载和衰减器的射频输出。图1：PRF-11501KWRF放大模块模块描述：模块描述时请参考图1-6。该模块通过连接器J1用低压直流。分别与5V@30ma和15V@3A分别于J1的频针4和频针2连接。如果适当的电压被接通，发光二级管D3和D5将发绿光。U1是一个能提供50%占空比的0-5V的方波的时钟频率为13.56MHZ电压源。U2A提供脉冲宽度可调源驱动U4，DEIC420门驱动集成电路。图2脉波高频-1150直流电和门驱动原理图U4将门驱动脉冲转换为能驱动双102N06A(DE275X2-102N06A)场效应管U3门的15Vp波形大电流。R10，11，15，16和R27-308个2Ω的电阻并联以抑制栅极驱动信号。J3提供接触点和示波器直接监控场效应管栅极信号。JP1的电压供应范围为0-300V。作为一个安全措施，当JP1接通高压时LEDD2将发出红光。L1是一个射频扼力为21uH通过JP1来阻止射频离开模块。图3：脉冲高频-1150高频部分原理图C21，25,26,36,37,48,50,51和53为E类运行提供了必要的支路电容。C36，37，51和53形成11:1的电容分压器为J4提供漏极电压。C5，6，7，9，10，11，15，16，41，42和43一起形成一系列回路电容器，Ct。L2作为主要回路感应器和部分为匹配高频负载的回路电阻电感匹配。C1，2，35和C38-40形成电感匹配网络Co部分支流。J2是RF模块输出信号BNC接口。图4：PRF-1150顶视图图5：PRF-1150左侧顶视图图6：PRF-1150右侧顶视图图7:1KWE类逻辑图工作原理参照图7，激活装置，U3因具有高速旋转开关特性而被选作为低无线电数据系统RDSonresistanceandlowCOSSandCRSS,同样地，在其饱和的运行模式中它将是一个有效的低损耗开关。在转换期间，谐振负载网络在有源装置中设计以使其瞬态响应的功耗最小化。图8描述了理想的E类电路的波形。在激活装置的关闭状态，漏极电流仍然保持在0，而装置两端的电压Vds,增加至最高3.5倍Vdd(t0t1)。在关闭循环结束的时候（T1），激活装置两端电压已减少至零。当Vgs（T1）供应时，通过激活装置的电流增至最大值的2.86倍ldc，在开状态（T2）门驱动结束时，Vgs被移除，同时在电压开始增长时电流跌至零。图8：理想E类波形原理上，当漏极电压通过装置时电流是不可预知的，同样，当漏极电流通过时，电压通过装置的电压也是未知的。通过开关转换（T1，T2）,电压和电流都有零交换值。以这种方式，伴随着开关损耗，唯一的损失依然是传导。高功率E类放大器的理想效率将达到≥90%。图7中，有四个无源元件Cd,Ct,Lt,和有源RF负载电阻R1组成的共振负载网络连接至BNC接口J2。四个元件的值依据共振频率和Q在图8中产生的理想波形选择。如图7显示的射频扼流器，在运行频率fo时，本质上是高阻抗的。作为谐振电路的恒流源它的值是足够高的。计算E类元件的值假设设计的RF输出功率，运行频率和直流电源供应电压已知，并且共振负载网络的负载Q值已知，我们就能计算出E类共振元件的值。在此设计中运行频率为13.56MHz。供应电压需依据已知的输出功率设置，且已知最大开关装置漏极电压能达到3.56倍电源电压。有源负载电阻R是预想的高频输出功率和直流电压的函数值。共振电路的Q依据以下几个因素：1）传送给有源负载电阻的谐振频率的相对重要性；2）通过能动装置的电压和电流波形的瞬态响应。若Q太低，通过能动装置的电压不能供应零优先驱动装置开状态。太高，通过装置的电压流出太快甚至会向反方向转变。请注意U3流向电源的并联电容Cd，，它实际上是物理电容和U3的等价输出电容。输出电容是可以通过数据值一览表估算的。E类拓扑学的MathCAD被用作此模块初步设计阶段向导（工具）。它原打算用一个8Ω的回路负载电阻R和保持大约近似于2的低Q以保证回路峰压值低于2KV。下一页是初步设计值的总结。Mathcad总结页面:图9显示了阻抗匹配和此模块的回路值。电感匹配和输出电容一起匹配BNC连接器J2接口和50Ω的射频的8Ω负载线路。Lt和Ct组成系列共振回路。Cd满足E类特有运行的支路漏电容。因为在一系列阻抗感应器（Lmatch）谐振回路感应器（Lt）是直接的，所以这些功能不同的感应器实际上是作为一个为两个感应器的值的和的一个感应器应用的。图9：简单的输出回路和L-match原理图这些MatchCAD结果为初步设计值提供了出发点。然而，它是一个理想的假设，包括没有寄生电阻电容等，还假设了一个50%占空比（DC）的门驱动波形。实际设计要素：PRF-1150高频发生器的设计运用经典的E类单端转换拓扑模式（图7）。此模型利用DEIDEIC420RFMOSFETGateDriverIC驱动一个DE275X2-102N06A双场效应管作为转换装置。一个L-C回路起高效的场效应共振转换作用。额外的附加电感回路和支路电容能为回路等效电阻R转换为50Ω负载产生电感匹配网络。DEIC420驱动集成电路选用具有可以直接驱动U3门能力的U4。它使宽度可调电平信号门驱动脉冲转化为能驱动U3的3600pF门的15Vp和8Ap脉冲。尽管VGS临界值在2.5-5V的范围内，但是为了确保驱动饱和和最小的I2*RDSon损失，门被设置为15Vp可驱动。在E类运行中，用低于10毫微秒的升降时间需要更大的功率驱动场效应管门。3600pF的DE275X2-102N06A需要适当的功率驱动，15Vp的门电压摆动是11W用P=Ciss*V2*f。此外，DEIC420有消耗额外功率的内部定时和反交叉电路。总驱动功率大约是45W(15V@3A)。当DEIC420被用作高电流驱动时，几个设计和布局对最好的结果是至关重要的。在PCB板布局中将驱动器和场效应管彼此邻近设置是重要的。在驱动输出端和场效应管门段，它对杂散的电感最小化起到至关重要的作用，驱动信号可能会产生铃声。0.25Ω的电阻被安装在此设计中以抑制门驱动铃声。峰电流能够达到20A，电源电压旁路，布局对称，和设备接地都是至关重要的。V电源电压旁路电容器应当尽可能近的接近DEIC420电源到GND的频针。对于装置的开状态，由旁路电容器储备电能提供的初始的瞬态电流是至关重要的。这些特别为脉冲运用选用的电容器应当是低电感并且低ESR型。SMTcaps被认为是低电感应包装和密度的。当减少导线和布局感应时它允许几个caps邻近DEIC420简单并联。图3显示了这个设计的选用实际电路值。最后，在装置关闭状态时，门电路必须迅速放电，从场效应管的电源到驱动回路导线的接地回路必须低感应、低阻抗。在布局期间，通过保持驱动器和场效应管空间邻近和保持对称回路包括在PCB板上的接地层，这个通常能够的到保证。图9描述了PRF-1150模块的典型的驱动脉冲。DE275X2-102N06A场效应管的双装置在于它的一个包装盒子里面有两个独立的场效应管。它维持一个低RDSon(2.0Ω/2=1Ω)、一个12A的额定电流、一个热性能为560WPd@25°C和0.26°C/W的θ结散热片。因为峰值漏极电压接近3.5XVDD,所以选用1KV的端口。从MathCAD得出的输出模块功能的实现和匹配网络给定的目标设计值是直接的。所以电容器都是选用低损耗RF特性的低ERS的陶瓷电容器。注意到漏极峰值电压能达到1KV，和谐振回路的原因L/C共同点可以接近QlxVp,or2KVp。应当使用适当的额定电压。几个制造商包括ATC(美国技术陶瓷),日本村田公司伊利,所有为此用途提供适当电容器的介电实验室。为使局部电容产热最小化，并提供足够的设计裕量，几个电容采用并联电路。同样，Tank和匹配网络环电流可以很容易达到20Ap，Tank感应器L2被设计为适合有效地PCB封装的最好的最小损耗设计。导体是由3/8镀银的铜带。在实际设计格式和提供在Rac方面有下降3%超定额铜带材料的镀银层是为了提供最低的导电损失，相当于直接减少3%的导电损失。环形线圈采用低渗透性，有良好的热稳定性和高居里温度的铁粉材料。操作波形尽管用心的初始设计可以将模块调谐最小化，但是，一些偏离理想是可以预知的。微调拓扑的最好方法是通过示波器观察漏极波形。为了支持模块的调试在此模块上安装了两个示例连接器。J4提供11:1的电压场效应管漏极波形交流耦合。准正弦800/11=73Vp可以有效的保证1KW的输出。如果100:1的电压探测器不能获得或实施，保护电路模块此设计是有用的。图10显示漏极波形的一个好目标。J3对场效应管门提供直接驱动信号。意味着50Ω的同轴电缆和J3连接。在示波器上门驱动可以直接被检测到。最大输入为50Ω。当操作正确，我们能够看到如下预期波形：图9：U3门的门驱动脉冲图10显示了在1KW输出功率时U3的漏极，这是最有效和最小转损失下的一个经典的调谐。注意在关和开期间，当()接近基准时波形是圆润的弧形。在转换期间，通过维持场效应管在0V漏极电压确保最优效率。请关注美国专利描述的#5,187,580具体的E类调谐状况，，当漏极波形接近基于场效应管开可变设计系统时，它是不光滑，也不是圆形，但是在足够大的电压下可变设计系统波形有一个直线后边缘或明显的阶梯型。为了使读者获得进一步的信息，结尾处的参考资料将帮您了解它。图10：@U3漏极波形，漏极，1KW输出功率U3近视正弦波形通过回路网络的调谐转变为正弦波形（图7的Ct和Lt），调谐回路较高的Q，正弦波越标准，射频输出的调谐量越少。图11显示的是在输出回路和匹配网络在50Ω负载下的输出波形。图12是谐波量PRF-1150的频率测量范围。输出功率为1KW(60dBm),注意到二次和所有的高次谐波均高于基本信号以下的30dB，如果需要额外的谐波抑制进一步滤除可以很容易做到。图11：J21KW输出功率时脉冲输出波形图12:1KW输出功率时，RF输出频谱测试数据如图表显示的典型模型数据，它是在有100W的增量是采集的，此时记录了VDS源提供电压、漏极电流，U3的漏极电压极值。第五和第六列分别计算了(Po/(VDS*Id))效率和PS载重线(LL=VDS/Id)值。图表1：PRF-1150测试数据图表2是与预期DE275-102N06A场效应管的U3的操作参数的一个比较，关键参数记录表。Pd和Tj是在假定30°C散热器温度上升，大约在25°C的环境下计算得到的。注意，极值漏极电压、极值电流、结点温度和预计功率耗散都在装置至少为20%操作范围安全操作参数。图表2：U3，DEIDE275X2-102N06A场效应管设计范围集成电路empahsis仿真程序分析初始的MathCAD分析假定理想元件，包括没有寄生现象，假定50%的理想占空