Výkonové LDMOS tranzistory

Transkript

1 Výkonové LDMOS tranzstory Ing.Tomáš Kavalír, OK1GTH, Uvedený článek s klade za cíl seznámt radoamatérskou veřejnost se základním vlastnostm výkonových LDMOS tranzstorů a práce s nm. Zároveň naznačuje možná úskalí a je jakýms volným úvodem pro budoucí praktcky zaměřené články, které se budou zabývat realzací výkonových tranzstorových zeslovačů. LDMOS tranzstory patří z prncpu funkce mez unpolární tranzstory, které jsou díky odlšné přechodové charakterstce z hledska lnearty a vznku vyšších harmonckých a ntermodulačních produktů zpravdla výhodnější než bpolární tranzstory. U zeslovačů s unpolárním tranzstory se velce často používá také vyšší napájecí napětí (zpravdla 50 V), díky kterému zeslovač pracuje v lneárnější oblast, což má za následek ět menší nelneární zkreslení a lepší hodnoty ntermodulačních produktů. Proud v unpolárních tranzstorech je přenášen majortním nosč, proto jsou tyto prvky odolnější vůč změnám teploty a dadajícímu onzujícímu záření než bpolární tranzstory. Pro nepřítomnost mnortních nosčů jsou zapínací a vypínací doby unpolárních struktur dány především paraztním kapactam, které musí být nabty a vybty př každém sepnutí a vypnutí. Tyto doby jsou jen málo teplotně závslé, což je ět velká výhoda rot bpolárním tranzstorům. Na zdroj předpětí se navíc nekladou tak vysoké nároky, jako u zeslovačů s bpolárním tranzstory, kde musel mít zdroj předpětí velm nízký vntřní odpor. Nebezpečím je možnost elektrckého průrazu delektrcké vrstvy pod hradlem př manpulac (její tloušťka se pohybuje jen okolo stovek nm) statckou elektřnou (např. dotykem ruky). Výrobc proto atřují elektrody například zkratovací pružnkou, která se odstraňuje až po montáž, nebo se tyto součástky převážejí ve specálních vodvých obalech.u klasckého unpolárního tranzstoru MOS je pro výkonové účely na závadu především poměrně velký úbytek napětí v sepnutém stavu způsobený délkou kanálu, kterou nelze z výrobních důvodů přílš zkrátt. Snahou tento problém vyřešt a získat tak výkonový vysokofrekvenční tranzstor vznkl unpolární tranzstor struktury LDMOS (Lateral Double Dffused). Hlavním rysem tranzstorů LDMOS je vrstva typu P obklující oblast emtoru (typ N+) [1]. Tato vrstva tvoří vlastní kanál tranzstoru, který je tak velce krátký a přesně defnovaný. Zároveň vytváří na styku s vrstvou N- velkou depletční oblast, díky které se významně zvyšuje průrazné napětí tranzstoru U DSmax. Vývojem a výrobou výkonových tranzstorů založených na technolog LDMOS se zabývá většna významných světových výrobců polovodčů (NXP, Freescale, STM atd.).

2 Škála výkonů nabízených prvků je v současné době velce pestrá a výkonové ztráty na jedno pouzdro dosahují hodnot až okolo 1 kw. V současné době se podařlo u tranzstorů struktury LDMOS dosáhnout pracovních napětí až okolo 100 V a jsou používány pro frekvence jednotek GHz v případě výkonových provedení. Pro dosažení požadovaných výstupních výkonů bývá v jednom pouzdře mplementováno až několk set tranzstorů. V pouzdru jsou dále přítomny přzpůsobovací obvody, které zde zajšťují správnou součnnost všech tranzstorů. Výrobc se nadále snaží průběžně různým technologckým úpravam zlepšt významné parametry LDMOS tranzstorů (výstupní výkon, lneartu, stabltu, účnnost, nelneární zkreslení atd.), ale správná funkce těchto úprav je zaručena většnou jen v konkrétním kmtočtovém pásmu a pro předepsaný pracovní bod. Pracovní bod se nastavuje velkostí napětí U GS (zpravdla cca 0 10 V). Teplotní drft je u moderních výkonových tranzstorů LDMOS relatvně malý (v porovnání s bpolárním tranzstory), ncméně pro dodržení požadovaného výkonu a lnearty v celém teplotním rozsahu bývá v profesonálních zařízeních kompenzován. Uvádí se, že v teplotním rozsahu od -0 do +100 ºC dochází ke změně napětí U GS přblžně o 15 % [1]. Nevýhodou tranzstorů LDMOS je časový drft napětí U GS, který je způsoben tím, že elektrony s vysokou energí z kanálu narušují oxdovou zolační vrstvu mez horní hranou kanálu a řídcí elektrodou. V takto vznklých poruchách se hromadí náboj, který se navenek projevuje posunem napětí U GS [1].Další nevýhodou výkonových tranzstorů LDMOS jsou jejch velm nízké vstupní a výstupní mpedance, které se pohybují řádově v jednotkách ohmů a které ztěžují návrh a konstrukc přzpůsobovacích obvodů. Toto je způsobeno především tím, že každý čp obsahuje velké množství tranzstorů, které jsou zapojeny paralelně, a tudíž je vstupní (výstupní) mpedance velm malá.výkonové tranzstory LDMOS se vyrábějí ve dvou základních provedeních, tj. pro jednočnné (sngleended) nebo pro dvojčnné (push-pull) zapojení. Tranzstory pro dvojčnná zapojení v sobě sdružují dva shodné čpy v jednom pouzdře, což je velm výhodné zejména z hledska ceny, rozměrů a shody parametrů obou tranzstorů. U tranzstorů pro dvojčnná zapojení se většnou uvažují mpedance mez oběma hradly, resp. kolektory. Nejčastěj jsou LDMOS tranzstory vyráběny pro provozní napětí 4-3 V a 50 V a jž se začínají objevovat dokonce 100 V typy (STAC 393). Chlazení tranzstorovým zeslovačů osazených prvky LDMOS Jak bylo řečeno výše, současné dosažtelné mezní výkony na jednou pouzdro jsou jž na úrovn cca 1 kw (BLF 188, MRFE 6VP61K5). Vzhledem k omezeným rozměrům vlastního

3 pouzdra a tím stykové plochy nastává u takto výkonných typů problém s efektvním odvodem ztrátového tepla z pouzdra. Obr. 1: Ukázka poškození LDMOS tranzstoru překročením ztrátového výkonu a ukázka rozložení teploty uvntř čpu []. Obr. : Ukázka LDMOS zeslovače a termální snímek [3]. Defnujeme proto tzv. tepelný přechodový odpor mez pouzdrem tranzstoru a chladčem R Thc-h, který je možné vhodnou technolog mnmalzovat na přjatelné hodnoty (R Thc-h pod 0,1 K/W). Nejpříznvějších hodnot je možné dosáhnout letováním pouzdra tranzstoru přímo k vlastní teplovodné sběrnc. Tato je zpravdla realzována masvní měděnou deskou tloušťky až okolo 0 mm, která má dostatečně vysokou schnost přenosu a rozvodu tepla a ta je následně pevně přmontována na vlastním zpravdla hlníkovém chladč. Vzhledem k omezené tepelné vodvost hlníkového materálu není většnou možné použít pro chlazení moderních LDMOS tranzstorů přímého tepelného kontaktu pouzdra tranzstoru s hlníkovým chladčem. V případě rozebíratelného spojení pouzdra tranzstoru a teplovodnou sběrncí se používá přesně rovně frézovaná plocha na straně teplovodné sběrnce, která pro lepší tepelný přenos může být lapována. Pro zlepšení tepelného přenosu se doručuje použít specalzované teplovodné pasty a defnovaného utahovacího momentu. Často se navíc

4 používají specální klemy defnovaného tvaru, které zlepšují přítlak především uprostřed pouzdra transstoru. Obr. 3: Porovnání přítlaku použtí šroubů a přítlačné klemy [4]. Vlastní základna tranzstoru je pro tyto účely jž z výroby tmalzována (pozlacené pouzdro, defnována přesná geometre atd.). Tepelný přenos mez teplovodnou sběrncí a hlníkovým chladčem R Th s-h bývá výrazně menší než 0,05 K/W a ve většně případů ho můžeme proto zanedbat. Obr. 4: Ukázka provedení pouzder výkonových LDMOS 50 V tranzstorů pro výkony W [3]. Vlastní chladče jsou často realzovány zpravdla jako vzduchová trať, kdy je zajštěno vhodné obtékání vzduchu okolo chladících žeber a tím efektvní chlazení. Výkonnější koncové stupně jsou chlazeny průtokem chladící kapalny přímo skrze měděnou teplovodnou sběrnc. Podstatným parametrem každého LDMOS tranzstoru je přechodový tepelný odpor mez vlastním čpem a pouzdrem tranzstoru R ThJ-C, kde je patrná snaha výrobců o tmalzac tohoto odporu. Současné špčkové typy (např. BLF 188) dosahují R ThJ-C jen okolo 0,1 K/W. S tímto přechodovým odporem musíme počítat př návrhu vhodného

5 chladícího systému, protože nám může zásadním způsobem ovlvnt žvotnost a spolehlvost zeslovače. Obr. 5: Ukázka závslost R ThJ-C na délce pulzu a zatěžovacího cyklu tranzstoru BLF 188 [3]. Spolehlvost LDMOS prvku Spolehlvost LDMOS tranzstoru je dána mmo jné provozovanou teplotou čpu a proudovou hustotou. Současné moderní typy LDMOS tranzstorů mají poměrně vysokou mezní teplotu čpu (až okolo 00 C) a samozřejmě platí, že čím je vyšší provozovaná teplota tohoto čpu, tím se snžuje spolehlvost tranzstoru. Defnuje se tzv. MTTF (Mean Tme To Falure), tj. střední doba do poruchy, který je defnován jako čas, který uplynul do selhání 0,1 % vzorků. Tento údaj je odlšný od střední doby mez porucham MTBF (Mean Tme Between Falures), kde by se uvažoval čas do doby, než by polovna zařízení selhala. Převládající způsob poškození LDMOS tranzstorů je díky elektromgrac. Orentační výpočet MTTF pro případ LDMOS tranzstoru BLF188 Orentační výpočet MTTF, tj. střední doby do poruchy, je následující. Nejprve je nutné stanovt teplotu vlastního čpu v ustáleném stavu. Tuto teplotu je možné získat na základě znalost všech tepelných odporů, ztrátového výkonu, tepelného odporu vlastního chladče a teploty okolí. Pokud budeme uvažovat výstupní výkon zeslovače okolo 1000 W př pracovní účnnost cca 68 %, dostáváme ztrátový výkon přblžně 470 W, který je nutné spolehlvě uchladt. Dá se předpokládat v případě tmální konstrukce, že celkový tepelný odpor celé sestavy R th bude někde okolo 0,3 C/W a po dosazení tak dostaneme oteplení přblžně o

6 141 C (!). V případě teploty chladče 40 C dostáváme teplotu vlastního čpu cca 181 C. Proud tekoucí tranzstorem je pro dané napájecí napětí (50 V) a daný výstupní výkon přblžně 9 A. Nyní je možné z následujícího grafu odečíst přblžnou střední dobu do poruchy MTTF (do selhání 0,1 % vzorků), která vychází jen něco okolo jednoho roku. Tato lmtní hodnota by platla pro trvalý provoz se 100 % využtím. Pro radoamatérský provoz můžeme počítat s lepším hodnotam. Z uvedeného je ale dobře patrné, že špatným návrhem chladícího traktu můžeme velm výrazně zkrátt dobu žvotnost a je z toho také patrné, proč soldní výrobc profesonálních RF zeslovačů zdaleka nevyužívají maxmální výkony součástek, ale pro dosažení potřebného výstupního výkonu raděj použjí více samostatných modulů a ty následně sloučí. V profesonální prax není výjmkou an používání vodního chlazení, například výkonové zeslovače frmy Rohde Schwarz řady BBL. Obr. 6: Graf závslost MTTF pro různé hodnoty proudu a teploty čpu [3]. Přzpůsobovací a transformačnívstupně-výstupní obvody Stejně jako u zeslovačů osazených elektronkam, kde byl jednou z nejdůležtějších součástí zeslovače anodový obvod, tak u zeslovačů osazených tranzstory jsou velm důležté přzpůsobovací obvody na vstupu a výstupu zeslovače. Hlavním úkolem těchto obvodů je především transformovat relatvně nízkou vstupní výstupní mpedanc tranzstorů k mpedanc zátěže (zpravdla 50 Ω). Mmo vlastní transformac mpedance nám také tento

7 obvod ovlvňuje elektrckou účnnost vlastního zeslovače a fltrační schnost pro vyšší harmoncké produkty. Vstupní a výstupní mpedance většny výkonových LDMOS tranzstorů je z prncpu funkce velm malá a je komplexní. Tato mpedance je zároveň kmtočtově závslá. Před vlastním návrhem zeslovače tak musíme začít určením těchto mpedancí. Výrobc se nám snaží vyjít vstříc a často proto v katalogovém lstu udávají přímo hodnotu tmální zatěžovací mpedance a zároveň vstupní mpedanc tranzstoru pro dané kmtočtové pásmo včetně doručeného zapojení. Pokud tedy chceme zjstt, jaké jsou hodnoty těchto mpedancí v jných kmtočtových pásmech, máme několk možností. Pokud je dána mpedance v dostatečně šrokém kmtočtovém rozsahu, můžeme vhodnou extrapolací hodnot stanovt mpedance pro jné blízké kmtočtové pásmo. Problém je také stanovení této vstupní a výstupní mpedance z běžně používaných S parametrů (které jsou často součástí katalogového lstu a teoretcky z nch lze stanovt vstupní a výstupní mpedanc), protože se zpravdla jedná o tzv. malo-sgnálové parametry, kde jsou tyto mpedance odlšné a S parametry se měří například v zapojení, kdy tranzstorem protéká jen kldový proud. Ze stejného důvodu je také velm problematcké tyto mpedance pro reálné zapojení s daným výstupním výkonem změřt. Další v prax často používanou metodou je vytvoření přesného modelu tranzstorového zeslovače ve vhodném smulačním programu, a pokud máme k dspozc elektrcký model daného tranzstoru (například SPICE parametry atd.), můžeme pomocí nelneární balanční analýzy určt vstupní výstupní mpedance pro konkrétní kmtočtové pásmo a konkrétní pracovní bod, respektve daný úhel otevření. Problematka je to značně složtá a je možné pro toto řešení použít například placené profesonální smulační programy Ansoft Desgner, případně Mcrowave Offce.Další možností stanovení vstupní výstupní mpedance je přblžný analytcký výpočet ze zjednodušeného modelu tranzstoru, který byl použt př stanovení orentační vstupní a zatěžovací mpedance LDMOS tranzstoru BLF 78 př realzac expermentálního šrokásmového zeslovače 1 50 MHz. V techncké prax je možné vstupní výstupní přzpůsobovací obvody realzovat mnoha způsoby. Často se používá například metoda postupného přzpůsobování mpedance s nízkým Q pomocí znalostí z teore vedení, kdy se využívá například transformačních vlastností mkráskových vedení a prvků pro kompenzac reaktance. Pří vlastním návrhu nám velm pomůže používat znalostí práce se Smthovým dagramem. Tuto metodu je možné použít př realzac úzkásmových zeslovačů a vzhledem k provedtelnost (fyzcké rozměry) je

8 vhodná především pro pásma VKV a UKV. Její výhodou jsou dobré fltrační schnost pro vyšší harmoncké produkty a relatvně snadná realzovatelnost přímo na plošném spoj. Vzhledem k prncpu funkce tato metoda není vhodná pro realzac šrokásmových zeslovačů, kde lze s úspěchem použít například metodu založenou na transformac mpedance pomocí šrokásmových transformátorů (například Ruthroffov šrokásmové transformátory [3]). Obr. 7: Ukázka uvažování vstupně-výstupních přzpůsobovacích obvodů. Přblžné stanovení vstupní výstupní mpedance analytckým výpočtem Tento netradční způsob přblžného stanoven vstupní výstupní mpedance tranzstoru byl zvolen z důvodu nedostupnost přesného modelu uvažovaného typu tranzstoru BLF 78 od frmy NXP a nemožnost použít plnohodnotné nelneární analýzy. Vlastní tranzstor BLF 78 je konstruován pro 50 V napájení a je prmárně určen pro aplkace v pásmu VKV, kde má tmalzovány parametry. Tento tranzstor byl použt v případě expermentálního šrokásmového zeslovače pro 1 50 MHz a z výše uvedeného důvodu nebylo možné z katalogového lstu získat přímo výrobcem stanovené tmální vstupní výstupní mpedance pro předpokládané kmtočtové pásmo 1 50 MHz. Uvedený tranzstor byl zvolen z důvodu provozní robustnost a spolehlvost ověřené dlouhodobou technckou praxí. Př stanovení přblžných hodnot vstupní a výstupní mpedance tranzstoru bylo použto zjednodušeného náhradního modelu LDMOS tranzstoru (jedné sekce bez uvažování R s, R d a R g )[3]. Obr. 8: Zjednodušený model LDMOS tranzstoru BLF78.

9 L g 0,6 nh Od výrobce L s 0,7nH Od výrobce L d 0,6nH Od výrobce R g 0,09 Ω Od výrobce R s 0,08 Ω Od výrobce R d 0,19 Ω Od výrobce C rs 14 pf Z katalogového lstu C s 480 pf Z katalogového lstu C os 190 pf Z katalogového lstu GFS 6 S Z katalogového lstu GFS' 3 S Výpočtem C gd 16 pf Výpočtem C gs 699 pf Výpočtem C ds 196 pf Výpočtem C s 5,4 pf Z katalogového lstu Tabulka vstupních parametrů modelu LDMOS tranzstoru. Pro pracovní třídu B ve dvojčnném zapojení lze uvažovat: GFS GFS'= (1) Emprcky lze určt: Cgd = 1, 15 C rs () C gs = 1, 5 ( C C ) s rs C ds = 1, 15 ( C C C ) os rs s Zsk je dán přblžně:

10 GFS' R Gp = 10 log 10 ω Ls C load (3) kde: C = C gs + C gd ( 1+ GFS' R ) load (4) ω = π f Vstupní mpedance je dána ve tvaru: Z = R + jx (5) n kde reálná a magnární část je dána: R GFS' L = C s (6) jx ω L 1 = ω C kde: L = L + g ( L C ) s C gs (7) a zatěžovací ( výstupní) mpedance je dána v tvaru: Z = R + jx (8) load o o kde: R = R load (0,85 U = P o ds ) (9)

11 jx 1 = ω C out Cout = 1, 15 C os kdy platí: R o R = ( R ) ( jx ) + ( jx ) (10) jx o ( R = ( R ) ) + jx ( jx ) F (MHz) Zn (Ω) Z load (Ω) 1,8,09-j86,83 6,0+j0,09 3,7,09-j41,69 6,0+j0,18 7,09-j1,54 6,01+j0,35 14,1-j10,6 5,94+j0,69 1,11-j6,51 5,84+j1,01 8,1-j4,63 5,71+j1,3 50,18-j,15 5,14+j,13 Vypočítaná vstupní a zatěžovací mpedance BLF78 pro V ds = 50 V a P o = 150 W. Následně podle těchto rovnc byl vytvořen program, který umožňuje po zadání vstupních parametrů vypočítat přblžnou hodnotu zsku, vstupní a zatěžovací mpedance. Vypočítané hodnoty jsou jen orentační, protože vycházejí z přblžného modelu, který nerespektuje nelneární chování LDMOS tranzstoru. Pro přblžnou představu je tento zjednodušený výpočet plně postačující. Na uvedené webové stránce [5] je možné stáhnout program pro výpočet uvedených parametrů. Použtá lteratura: [1] HANAK, P. Použtí tranzstoru LDMOS MRF910 v nestandardním kmtočtovém pásmu. Elektrorevue. Červen 005. []Infneon Mcrowavejournal [ onlne ] , Dostupné z www:

12 [3] NXP konstrukční poznámky [ onlne ]. 01, Dostupné z www: [4] SHAH, M. Clampngof Hgh Power RF Transstors and RFICs n Over MoldedPlastcPackages. Konstrukční poznámky AN3789. Freescale Semconductor 009. [5]