场效应管及其在DX中波发射机中的应用

摘要：文中简单介绍了场效应管和功率MOS管，并通过场效应管在DX中波发射机中实际应用的例子，说明了场效应管，特别是IR功率MOS管在当代大功率中波发射机中的应用。
关键词：功率MOSFET；功率放大

    1960年贝尔实验室的Dawon Kahung及JohnAtalla用一个绝缘的电极在P-N接面之间引发一个导电的通道(channel)而来控制晶体中的导电状况。根据这个构想，场效应电晶体(FET)终于在两年后由RCA(美国无线电公司)的Stephen R．Hofstein及Frederick P．Heiman设计出来。其构造是在矽晶片上不同的两个地方引入N型或P型杂质作为源极和漏极，两极之间的晶片上再生长一层二氧化矽的绝缘物，然后在SiO2上镀上一层金属作为栅极。从纵剖面来看，其构造是金属一氧化层一半导体，因此称为MOS电晶体(Metal-Oxide-Semi-conductor transistor )。FET的三个电极分别被称为漏极、栅极和源极，对应双极性三极管的三个电极分别是集电极、基极和发射极。FET有两个主要变种，结型(JFET)和绝缘栅型(又叫MOSFET)。两者针对不同类型的应用做了优化。结型FET被用于小信号处理，通态电阻大，常用于射频工作场合；而MOSFET主要被用于线性放大或开关电源应用，特别是功率MOSFET广泛用于各种驱动及功率放大场合。

1 功率MOSFET及其驱动电路
    功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型，简称功率MOSFET(Power MOSFET)或功率MOS管。结型功率场效应晶体管一股称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor——SIT)。绝大多数电路设计中使用的都是NMOS FET，如果没有特别说明，完全可以假定功率电路设计中使用的MOSFET全部是N沟道的。
    自1976年开发出功率MOSFET以来，由于半导体工艺技术的发展，它的性能不断提高；如高压功率MOSFET其工作电压可达1000V；低导通电阻MOSFET其通态漏源阻值RDS(on)仅10mΩ；工作频率范围可以从直流到数兆赫兹。
    MOSFET以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)，利用电场的效应来控制半导体(S)，FET(Field Effect Transistor，场效应晶体管)的名字也由此而来。然而在DX-600发射机中所大量使用的IR是(International Rectifier公司生产) HEXFET功率MOS管，其栅极却并不是金属做的，而是用多晶硅来做栅极。IR在1978年时是用金属做栅极的，1979年的GEN-1HEXFET是世界上第一个采用多晶硅栅极的多原胞型功率MOSFET。
    功率MOSFET导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
    功率MOSFET的特别之处在于：包含多个“单元” (cell)的并行结构，相当于具有相同RDS(on)电阻的多个MOSFET并联，其等效电阻为一个MOSFET单元的RDS(on)的1／n。裸片面积越大，其导通电阻就越低，但同时，寄生电容就越大，其开关性能就越差。改进的办法就是最小化基本单元的面积，这样在相同的占位空间中就可以集成更多的单元，从而使RDS(on)下降，并维持电容不变。西门子公司的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列；IR功率MOSFET的基本结构中，每个MOSFET的原胞是一个六角形(hexan gular)，如图1所示，因而IR常把它称为HEXFET。

    功率MOSFET相对于一般的MOS管需要承受较大的电压和电流，所以一般都需要加装专门的散热电路，此外，为提高功率MOSFET的开关速度及降低其功率损耗，对其驱动电路也提出了特殊的要求：
    (1)触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；
    (2)开通时以低电阻为栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度，尽可能降低开关所造成的损耗；同时由于MOSFET管具有极高的输入阻抗，为了避免电路的正反馈引起振荡，驱动源的阻抗也必须很低，最好的办法就是用变压器做驱动电路；
    (3)为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压。为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压；(4)栅极电压的最大值一般为20～30V。为了防止门极电压超过其额定的最大值(目前通常是20V)，需要在栅极接上齐纳稳压管，比如在DX发射机功率模块中所用的P6KE20CA稳压块。
    (5)尽量减少与MOSFET管各管脚连接的连线长度，特别是栅极引线的长度。如果实在无法减少其长度，可以用一个小磁环或者小电阻与MOSFET管串连起来，这两个元件要尽量靠近管子的栅极，可以起到消除寄生振荡的作用。

2 场效应管在DX-600中波发射机中的应用
2．1 结型场效应管在射频源板晶振电路中的应用
    将JFET用于实际的放大电路中，就可以设计出无源元件很少的简单高频LC振荡器。比如DX-600中波发射机射频源板上实际所用的4倍载波晶振电路(如图2所示)，就是典型的结型场效应管构成的晶振电路。

    该电路主要结构包括一只以共漏方式连接的J309 JFET放大器，栅极电阻(R24)提供栅极到地的连接，R24的典型值在几兆欧姆范围内，在本电路中为1MΩ，实际上和作为电感存在的晶体构成栅极直流通路，以提供放大器所需的高阻抗结构。电阻R31提供晶体管的偏置，其阻值由下述公式确定：
   
    查J309参数得VGS=10V时，ID=10mA，则RS，也就是R31选择为1kΩ。晶体作为谐振的电感元件，电容C2、C3进行正反馈，频率越低，电容量越大，在中波范围内本电路采用180pF，最终构成一个频率由晶体决定并可通过C18微调的考毕兹振荡电路。
    该电路相对于之前的广播级射频源，不用设置专用恒温，稍加预热，就可稳定运行，具有极高的频率稳定度，完全满足了中波乙级以上的频偏要求，我台使用十多年来，一直可靠运行。
2．2 功率MOS管在射频放大器上的应用
    HARRIS公司生产的DX-600中波发射机中为提高射频信号的放大倍数，使用了大量IR公司的功率MOSFET器件，最为代表的就是在RF 3XL射放模块中完成射频功率放大的IRFP360 MOS管，两两并联，组成一个桥式放大电路(如图3所示)。一个200PB有239块相同的功率放大模块，一块模块上有8支这样的管子，一个200PB就是1912支管子，整个DX-600发射机由三个相同的200PB组成，这样就有5736支这样的管子。其设计工程师用高频变压器做激励驱动，一方面降低了信号源内阻，开通时以低电阻为MOS管栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度，最大限度的降低了导通关断时的功率消耗，降低了温升，由此保证了功率MOS管的长期使用；另一方面使用变压器做驱动，容易做到对四只管子激励信号的并联馈送，充分利用功率MOS管的导通电阻具有正的温度系数的特性，通过并联工作而达到扩大功率容量的目的。DX-600中波发射机最高2400kW的峰值功率就靠这些拇指大小的场效应管完成，这不仅是发射机历史上的壮举，也是功率MOS管的典型应用。IRFP360额定工作电压为400V，最大工作电流为23A，通态电阻Ron为0．2Ω，输入电容5000pF。

    由于IR公司采用了拥有自主知识产权的HEXFET型场效应管，所以其工作电压、电流、频率会做的很高。我台曾为HARRIS公司生产的IRFP360管上机做过实验，其在一部发射机上试用时管体温度相对原机所用IRPF360偏高；在另一部发射机上使用时会爆激励保险。而IR公司生产的IRFP360管子大部分可以工作在40000小时以上，IR公司生产的功率MOS管做工非常精致，其出厂标号是刻在MOS管正面的。2007年之后，在IR的MOS管和肖特基二极管产品线被Vishay公司收购之后，再买到的封装就是打印上去的了，所以说现在的IRFP360管基本上都是Vishay公司生产。
2．3 功率MOS管在伺服控制板上的应用
    图4是DX-600中波发射机合成器伺服控制板上用到的调谐的驱动电路。其中由四只最大工作电压100V，电流16A的IRF350组成桥式放大驱动电路，放大前级输出的脉宽调制信号直接驱动调谐直流电机，传动调谐电容转动而达到改变其容量的目的。此外，调载驱动电路与此完全相同，二者同时动作实现合成器并机网络状态变化时的阻抗匹配调整。

2．4 功率MOS管在整流柜放电回路的应用
    DX-600中波发射机的单个200PB整流柜的主整功放电压虽然不高(250V)，主整滤波电容由55只5100μF的电容分散并联组成，而且每只电容都并联了75kΩ的放电电阻，但其总体电容依然较大，
    C=55x5100x10-6=0．2805(F)
    相对于250V的储能为：
    1／2(CU2)=1／2(0．2805x2502)=8765(J)
    这还不包括120μH主整滤波电感、驱动级电容、二进制电容的储能，所以说从安全的角度考虑，如果在关机后不把储能迅速泻放，特别是处理故障时，对于维护人员来说具有相当大的隐患。所以HARRIS公司采用了如图5所示的放电电路，主要由IR生产的4只IRFP360功率MOS管Q1、Q2、Q3、Q4和与其相串联的大功率电阻R13、R14、R15、R16组成，当发射机工作时，均不导通；关机后，来自电源控制板的控制信号将控制电压加到每只场效应管的栅极上，MOS场效应管开通，将主整和驱动级(包括二进制)电源的储能完全泻放在四个电阻上，达到保护设备、维护人身安全的作用。

    图5为放电回路早期图纸，该公司设计人员采用的100W10Ω(R13、R14、R15、R16)的放电电阻在实际使用中，会经常有IRFP360管子损坏、放电电阻烧毁的情况发生。后来HARRIS公司将其全部更换为250W40Ω后再无类似情况出现。
2．5 功率MOS管在其它地方的应用
    DX-600中波发射机中功率MOS管的应用位置非常多，比如PB200射放的前级一缓冲级由4支IRL510功率MOS管两两构成两组推挽电路，一主一备各自完成将4～4．5Vp-p射频激励信号放大至15Vp-p的信号去推动驱动级(与RF 3XL射放模块相同电路)。在PB200功放单元的B+／B-开关电源中，输出可达65A的B-电源由四只IRFP448功率MOS管提供，输出20A的B+电源由两支Motorola生产的N型EMOS (Motorola称为TMOS)功率管MTW8N5E提供。其它功率MOS管应用的地方还有很多，在此不再一一列举。

3 结束语
    由此可见，场效应管因为它速度快、功耗低、抗干扰等优点，在中波射放系统中得到了广泛的应用，特别是IR公司功率MOS管的出现及在DX中波发射机中的大量使用(DX-10中波机射放系统的模块采用IRFP350功率MOS管)，使电子管完全退出了中波发射机，引领现代广播发射设备发生了深刻的变革。