基于D类放大器的固态射频电源研究

孙小孟，崔 晨，林亭廷，赵丽莉，李勇滔

(1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.北京泰龙电子技术有限公司，北京 100029)

随着半导体设备技术的发展以及生产过程自动化程度的提高，对大功率、体积小、转化效率高、可靠性高的射频电源应用越来越广泛。目前半导体设备以进口电源为主，不仅价格高，也不利于设备国产化。射频电源采用D类功率放大模式，主要由驱动电路、功率放大电路、阻抗匹配网络、定向耦合器、可调开挂电源、控制系统等组成，如图1所示。晶振产生的13.56MHz的信号经过驱动电路对功率放大电路进行驱动，经过放大的信号经由谐振网络、阻抗匹配网络后波形为标准正弦波，功率计将检测到的电压信号反馈给单片机控制系统，通过调节可调直流电源的电压控制信号进行控制直流输出，进而控制射频电源的功率输出。

1 功率驱动级

对于本论文所论述的射频电源的驱动级来说，就是要产生频率13.56MHz、占空比为50%驱动信号对功率放大级MOS管的栅极驱动，13.56MHz的信号源接驱动芯片MRF150的栅极，其特性参数如表1所示，漏级接偏置电源，使驱动芯片处于开关状态，驱动信号的好坏会影响射频电源功率放大级的转换效率与功率输出的稳定性[1]。如图2所示，直流电源通过电容滤波、78L05稳压后输出稳定的5V电压作为有源晶振的输入电源，晶振产生的13.56MHz驱动型号对驱动芯片的栅极进行驱动。由图3可以看出晶振输出的信号不太规整，波形上很多毛刺，经过三极管信号放大、变压器降压、电容滤波后波形上的噪声明显改善，如图4所示。24V开关电源通过并联去耦电容与串联扼流圈与驱动芯片(N1)的漏极相连,其中去耦电容的作用是防止高频信号耦合到直流电流而影响其工作效率，扼流圈的作用是使直流源的电流有平坦的传输特性，同时也可阻止高频信号流过直流电流通路[2]。通过PM1来调节加载在驱动芯片N1的偏置电压，保证了电源能够稳定输出1500W。

图1 射频电源结构框图

MRF150特性参数见表1。

表1 驱动芯片特性参数

图2 信号驱动

图3 晶振输出波形

图4 滤波后波形

2 功率放大及合成

射频电源采用低压大电流设计方案，如图5所示，功率放大电路由4个射频MOSFET晶体管(N2、N3、N4、N5) 组成，两两并联组成推挽电路(N2与N3组合，N4与N5组合)，两组放大信号再通过传输线压器耦合成一路完整的信号，信号经过谐振网络及网络阻抗匹配网络后输出为标准正弦波。电源的输出功率达到1500W，每个晶体管的输出功率为375W。

13.56 MHz占空比为50%的驱动信号经过高频变压器T1使上下两组晶体管获得反相的激励电压，使得两组晶体管交替导通，即N2、N3导通N4、N5截止，N2、N3截止 N4、N5导通[3]。驱动信号与功率放大器的门极相联，源级接地，漏级直流功率可在13.56Mz信号驱动下，使放大器工作在D类放大状态而转化为13.56MHz的射频功率。经过合适的匹配网络才能保证放大器工作在D类放大状态将直流电源功率尽可能大的转换成射频功率，而不是消耗在功率放大器上,匹配网络将输入阻抗匹配到同轴电缆的特性阻抗50Ω。

由于每个晶体管的特性不能保证完全一致，在高频环境中电路中产生的分布参数等影响，在24V偏压电源的输出端都有一个可调电阻(PM1、PM2、PM3、PM4)，用来微调每个晶体管的偏置电压，从而保证4个晶体管有相同的输出，保持系统的稳定[3]。每组晶体的漏级和源级并联3个5W的水泥电阻，起到平衡晶体管耗散功率的作用，晶体管烧坏时其漏级和栅极会导通，漏极的电压就会反馈到栅极，此时二极管会反相截止，从而保护稳压电路。

电源的输出方式目前比较常用的有先耦合再匹配以及先匹配再耦合两种方式。先耦合再匹配即先将每组晶体管的输出功率耦合后再经过统一的谐振网络、阻抗匹配网络后输出。先匹配再耦合即每路晶体管配有各自独立阻抗匹配网络，将输出阻抗匹配为传输线的特征阻抗50Ω，经过LC谐振网络滤波后输出标准的正弦波。

图5 功率放大及合成

本电源的输出采用先匹配再耦合的设计方式，优点有：

（1）能够更好地保持每路晶体管的独立性，这样就能避免晶体管个体的不同而带来的输出差异，电源更加稳定；

（2）有利于功率合成，每组晶体管输出标准正弦波后再耦合，使功率合成更容易实现。

漏级直流开关电源控制方式为0～5V模拟控制，输出电压0～50V，电流3～60A，射频电源输出1500W时开关电源输出功率2307W，直流功率裕度23.1%，在射频阻抗匹配过程中对于漏级直流开关电源来讲其输出电压不变，电流变化幅度较大，因此对开关电源电流输出要求较高。功率合成是将几个功率放大器的输出功率叠加起来，获得足够大的输出功率。采用传输线变压器将两组放大信号再通过传输线压器耦合成一路完整的信号。

传输线变压器是在传输线和变压器理论基础上将二者有机结合而形成的新元件，它既具有变压器的性能，又有传输线的特性，因此具有频带宽的特点，通常被用在射频电子电路中。传输线变压器结合了传输线与变压器的优点，因体积小、频带宽、隔离度高等优点得到广泛的应用。

3 测试数据分析

如表2所示，经过实际的测试，射频电源输出1500W时效率能够保持在65%以上，效率达不到100%的原因为功率放大器在工作时存在耗散功率以及匹配网络中电容、电感的发热。在理想的情况下，在功率放大器截止时即开关断开时，在功率放大器的漏极只有电压而电流为零。在功率放大器导通时即开关关闭时，在功率放大器的漏极只有电流而电压为零。进而在整个射频周期内漏极电压与电流的乘积为零即功率耗散为零。实际的大功率MOS管开关时存在着开关延时，此时会有开关损耗[4]。晶体管导通时也会有一定电阻，此电阻就会消耗一定功率。耗散功率会使功率放大器发热，会影响降低功率放大器的效率，如果超过最大允许耗散功率PCM功率放大器就会烧掉，因此及时的把热量散发显得尤为重要。

本电源采用水冷散热模式，通过流水来将热量散发出去。射频电源输出1500W时，散发的热量为807.6W，完全能将热量散发出去，使电源能够稳定的输出。

表2 测试参数

4 结 论

本论文着重分析了电源的驱动电路、功率放大电路，电源的输出阻抗为传输线特性阻抗50Ω，能够输出标准正弦波。经实际测试电源在稳定输出1500W时，整机效率达到65.16%，电源采用单片机闭环控制输出精度高，具有软件保护功能。本产品已实现产业化，应用于等离子刻蚀、射频溅射等半导体设备中，供给各大高校及半导体企业。