場效應(yīng)管及其在DX中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

摘要：文中簡單介紹了場效應(yīng)管和功率MOS管，并通過場效應(yīng)管在DX中波發(fā)射機(jī)中實(shí)際應(yīng)用的例子，說明了場效應(yīng)管，特別是IR功率MOS管在當(dāng)代大功率中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：功率MOSFET；功率放大

    1960年貝爾實(shí)驗(yàn)室的Dawon Kahung及JohnAtalla用一個絕緣的電極在P-N接面之間引發(fā)一個導(dǎo)電的通道(channel)而來控制晶體中的導(dǎo)電狀況。根據(jù)這個構(gòu)想，場效應(yīng)電晶體(FET)終于在兩年后由RCA(美國無線電公司)的Stephen R．Hofstein及Frederick P．Heiman設(shè)計出來。其構(gòu)造是在矽晶片上不同的兩個地方引入N型或P型雜質(zhì)作為源極和漏極，兩極之間的晶片上再生長一層二氧化矽的絕緣物，然后在SiO2上鍍上一層金屬作為柵極。從縱剖面來看，其構(gòu)造是金屬一氧化層一半導(dǎo)體，因此稱為MOS電晶體(Metal-Oxide-Semi-conductor transistor )。FET的三個電極分別被稱為漏極、柵極和源極，對應(yīng)雙極性三極管的三個電極分別是集電極、基極和發(fā)射極。FET有兩個主要變種，結(jié)型(JFET)和絕緣柵型(又叫MOSFET)。兩者針對不同類型的應(yīng)用做了優(yōu)化。結(jié)型FET被用于小信號處理，通態(tài)電阻大，常用于射頻工作場合；而MOSFET主要被用于線性放大或開關(guān)電源應(yīng)用，特別是功率MOSFET廣泛用于各種驅(qū)動及功率放大場合。

1 功率MOSFET及其驅(qū)動電路
    功率場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型，簡稱功率MOSFET(Power MOSFET)或功率MOS管。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一股稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor——SIT)。絕大多數(shù)電路設(shè)計中使用的都是NMOS FET，如果沒有特別說明，完全可以假定功率電路設(shè)計中使用的MOSFET全部是N溝道的。
    自1976年開發(fā)出功率MOSFET以來，由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，它的性能不斷提高；如高壓功率MOSFET其工作電壓可達(dá)1000V；低導(dǎo)通電阻MOSFET其通態(tài)漏源阻值RDS(on)僅10mΩ；工作頻率范圍可以從直流到數(shù)兆赫茲。
    MOSFET以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)，利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)，F(xiàn)ET(Field Effect Transistor，場效應(yīng)晶體管)的名字也由此而來。然而在DX-600發(fā)射機(jī)中所大量使用的IR是(International Rectifier公司生產(chǎn)) HEXFET功率MOS管，其柵極卻并不是金屬做的，而是用多晶硅來做柵極。IR在1978年時是用金屬做柵極的，1979年的GEN-1HEXFET是世界上第一個采用多晶硅柵極的多原胞型功率MOSFET。
    功率MOSFET導(dǎo)通時只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。
    功率MOSFET的特別之處在于：包含多個“單元” (cell)的并行結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于具有相同RDS(on)電阻的多個MOSFET并聯(lián)，其等效電阻為一個MOSFET單元的RDS(on)的1／n。裸片面積越大，其導(dǎo)通電阻就越低，但同時，寄生電容就越大，其開關(guān)性能就越差。改進(jìn)的辦法就是最小化基本單元的面積，這樣在相同的占位空間中就可以集成更多的單元，從而使RDS(on)下降，并維持電容不變。西門子公司的SIPMOSFET采用了正方形單元；摩托羅拉公司的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列；IR功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)中，每個MOSFET的原胞是一個六角形(hexan gular)，如圖1所示，因而IR常把它稱為HEXFET。

    功率MOSFET相對于一般的MOS管需要承受較大的電壓和電流，所以一般都需要加裝專門的散熱電路，此外，為提高功率MOSFET的開關(guān)速度及降低其功率損耗，對其驅(qū)動電路也提出了特殊的要求：
    (1)觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度；
    (2)開通時以低電阻為柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度，盡可能降低開關(guān)所造成的損耗；同時由于MOSFET管具有極高的輸入阻抗，為了避免電路的正反饋引起振蕩，驅(qū)動源的阻抗也必須很低，最好的辦法就是用變壓器做驅(qū)動電路；
    (3)為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓。為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓；(4)柵極電壓的最大值一般為20～30V。為了防止門極電壓超過其額定的最大值(目前通常是20V)，需要在柵極接上齊納穩(wěn)壓管，比如在DX發(fā)射機(jī)功率模塊中所用的P6KE20CA穩(wěn)壓塊。
    (5)盡量減少與MOSFET管各管腳連接的連線長度，特別是柵極引線的長度。如果實(shí)在無法減少其長度，可以用一個小磁環(huán)或者小電阻與MOSFET管串連起來，這兩個元件要盡量靠近管子的柵極，可以起到消除寄生振蕩的作用。

2 場效應(yīng)管在DX-600中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用
2．1 結(jié)型場效應(yīng)管在射頻源板晶振電路中的應(yīng)用
    將JFET用于實(shí)際的放大電路中，就可以設(shè)計出無源元件很少的簡單高頻LC振蕩器。比如DX-600中波發(fā)射機(jī)射頻源板上實(shí)際所用的4倍載波晶振電路(如圖2所示)，就是典型的結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成的晶振電路。

    該電路主要結(jié)構(gòu)包括一只以共漏方式連接的J309 JFET放大器，柵極電阻(R24)提供柵極到地的連接，R24的典型值在幾兆歐姆范圍內(nèi)，在本電路中為1MΩ，實(shí)際上和作為電感存在的晶體構(gòu)成柵極直流通路，以提供放大器所需的高阻抗結(jié)構(gòu)。電阻R31提供晶體管的偏置，其阻值由下述公式確定：
   
    查J309參數(shù)得VGS=10V時，ID=10mA，則RS，也就是R31選擇為1kΩ。晶體作為諧振的電感元件，電容C2、C3進(jìn)行正反饋，頻率越低，電容量越大，在中波范圍內(nèi)本電路采用180pF，最終構(gòu)成一個頻率由晶體決定并可通過C18微調(diào)的考畢茲振蕩電路。
    該電路相對于之前的廣播級射頻源，不用設(shè)置專用恒溫，稍加預(yù)熱，就可穩(wěn)定運(yùn)行，具有極高的頻率穩(wěn)定度，完全滿足了中波乙級以上的頻偏要求，我臺使用十多年來，一直可靠運(yùn)行。
2．2 功率MOS管在射頻放大器上的應(yīng)用
    HARRIS公司生產(chǎn)的DX-600中波發(fā)射機(jī)中為提高射頻信號的放大倍數(shù)，使用了大量IR公司的功率MOSFET器件，最為代表的就是在RF 3XL射放模塊中完成射頻功率放大的IRFP360 MOS管，兩兩并聯(lián)，組成一個橋式放大電路(如圖3所示)。一個200PB有239塊相同的功率放大模塊，一塊模塊上有8支這樣的管子，一個200PB就是1912支管子，整個DX-600發(fā)射機(jī)由三個相同的200PB組成，這樣就有5736支這樣的管子。其設(shè)計工程師用高頻變壓器做激勵驅(qū)動，一方面降低了信號源內(nèi)阻，開通時以低電阻為MOS管柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度，最大限度的降低了導(dǎo)通關(guān)斷時的功率消耗，降低了溫升，由此保證了功率MOS管的長期使用；另一方面使用變壓器做驅(qū)動，容易做到對四只管子激勵信號的并聯(lián)饋送，充分利用功率MOS管的導(dǎo)通電阻具有正的溫度系數(shù)的特性，通過并聯(lián)工作而達(dá)到擴(kuò)大功率容量的目的。DX-600中波發(fā)射機(jī)最高2400kW的峰值功率就靠這些拇指大小的場效應(yīng)管完成，這不僅是發(fā)射機(jī)歷史上的壯舉，也是功率MOS管的典型應(yīng)用。IRFP360額定工作電壓為400V，最大工作電流為23A，通態(tài)電阻Ron為0．2Ω，輸入電容5000pF。

    由于IR公司采用了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的HEXFET型場效應(yīng)管，所以其工作電壓、電流、頻率會做的很高。我臺曾為HARRIS公司生產(chǎn)的IRFP360管上機(jī)做過實(shí)驗(yàn)，其在一部發(fā)射機(jī)上試用時管體溫度相對原機(jī)所用IRPF360偏高；在另一部發(fā)射機(jī)上使用時會爆激勵保險。而IR公司生產(chǎn)的IRFP360管子大部分可以工作在40000小時以上，IR公司生產(chǎn)的功率MOS管做工非常精致，其出廠標(biāo)號是刻在MOS管正面的。2007年之后，在IR的MOS管和肖特基二極管產(chǎn)品線被Vishay公司收購之后，再買到的封裝就是打印上去的了，所以說現(xiàn)在的IRFP360管基本上都是Vishay公司生產(chǎn)。
2．3 功率MOS管在伺服控制板上的應(yīng)用
    圖4是DX-600中波發(fā)射機(jī)合成器伺服控制板上用到的調(diào)諧的驅(qū)動電路。其中由四只最大工作電壓100V，電流16A的IRF350組成橋式放大驅(qū)動電路，放大前級輸出的脈寬調(diào)制信號直接驅(qū)動調(diào)諧直流電機(jī)，傳動調(diào)諧電容轉(zhuǎn)動而達(dá)到改變其容量的目的。此外，調(diào)載驅(qū)動電路與此完全相同，二者同時動作實(shí)現(xiàn)合成器并機(jī)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化時的阻抗匹配調(diào)整。

2．4 功率MOS管在整流柜放電回路的應(yīng)用
    DX-600中波發(fā)射機(jī)的單個200PB整流柜的主整功放電壓雖然不高(250V)，主整濾波電容由55只5100μF的電容分散并聯(lián)組成，而且每只電容都并聯(lián)了75kΩ的放電電阻，但其總體電容依然較大，
    C=55x5100x10-6=0．2805(F)
    相對于250V的儲能為：
    1／2(CU2)=1／2(0．2805x2502)=8765(J)
    這還不包括120μH主整濾波電感、驅(qū)動級電容、二進(jìn)制電容的儲能，所以說從安全的角度考慮，如果在關(guān)機(jī)后不把儲能迅速瀉放，特別是處理故障時，對于維護(hù)人員來說具有相當(dāng)大的隱患。所以HARRIS公司采用了如圖5所示的放電電路，主要由IR生產(chǎn)的4只IRFP360功率MOS管Q1、Q2、Q3、Q4和與其相串聯(lián)的大功率電阻R13、R14、R15、R16組成，當(dāng)發(fā)射機(jī)工作時，均不導(dǎo)通；關(guān)機(jī)后，來自電源控制板的控制信號將控制電壓加到每只場效應(yīng)管的柵極上，MOS場效應(yīng)管開通，將主整和驅(qū)動級(包括二進(jìn)制)電源的儲能完全瀉放在四個電阻上，達(dá)到保護(hù)設(shè)備、維護(hù)人身安全的作用。

    圖5為放電回路早期圖紙，該公司設(shè)計人員采用的100W10Ω(R13、R14、R15、R16)的放電電阻在實(shí)際使用中，會經(jīng)常有IRFP360管子損壞、放電電阻燒毀的情況發(fā)生。后來HARRIS公司將其全部更換為250W40Ω后再無類似情況出現(xiàn)。
2．5 功率MOS管在其它地方的應(yīng)用
    DX-600中波發(fā)射機(jī)中功率MOS管的應(yīng)用位置非常多，比如PB200射放的前級一緩沖級由4支IRL510功率MOS管兩兩構(gòu)成兩組推挽電路，一主一備各自完成將4～4．5Vp-p射頻激勵信號放大至15Vp-p的信號去推動驅(qū)動級(與RF 3XL射放模塊相同電路)。在PB200功放單元的B+／B-開關(guān)電源中，輸出可達(dá)65A的B-電源由四只IRFP448功率MOS管提供，輸出20A的B+電源由兩支Motorola生產(chǎn)的N型EMOS (Motorola稱為TMOS)功率管MTW8N5E提供。其它功率MOS管應(yīng)用的地方還有很多，在此不再一一列舉。

3 結(jié)束語
    由此可見，場效應(yīng)管因?yàn)樗俣瓤?、功耗低、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，在中波射放系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是IR公司功率MOS管的出現(xiàn)及在DX中波發(fā)射機(jī)中的大量使用(DX-10中波機(jī)射放系統(tǒng)的模塊采用IRFP350功率MOS管)，使電子管完全退出了中波發(fā)射機(jī)，引領(lǐng)現(xiàn)代廣播發(fā)射設(shè)備發(fā)生了深刻的變革。