CN107735946B - 高频放大器设备 - Google Patents

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Abstract

一种高频放大器设备(1)，其适用于在≥2MHz的频率下产生≥1kW的输出功率用于等离子体激发，所述高频放大器设备包括：a.两个LDMOS晶体管(S1，S2)，所述两个LDMOS晶体管以其源极连接端分别与接地连接点(5)连接，其中，所述LDMOS晶体管(S1，S2)相同地构造并且布置在一个组件(3)(封装)中，b.印刷电路板(2)，所述印刷电路板平面地贴靠金属的冷却板(25)并且通过多个接地连接(8，19，21，24)与可与接地连接(26)的所述冷却板(25)连接，其中，所述组件(3)布置在所述印刷电路板上或布置在所述印刷电路板处，c.功率变换器(7)，所述功率变换器的初级绕组(6)与所述LDMOS晶体管(S1，S2)的漏极连接端连接，d.信号变换器(10)，所述信号变换器的次级绕组(13)以第一端通过一个或多个阻性元件(14)与一个LDMOS晶体管(S1)的栅极连接端(15)连接并且以第二端通过一个或多个阻性元件(16)与另一个LDMOS晶体管(S2)的栅极连接端(17)连接，其中，每个栅极连接端(15，17)通过至少一个进行电压限制的构件装置(18，20，18′，20′)与接地(19，21)连接。

Description

高频放大器设备
技术领域
本发明涉及一种高频放大器设备，其适用于在≥2MHz的频率下产生≥1kW的输出功率用于等离子体激发。
背景技术
这样的或类似这样的设备例如由以下文献已知：US2014/0167858 A1、US2009/0027936 A1、US6,172,383B1、US6,064,249A。
LDMOS晶体管例如由以下文献已知：飞思卡尔半导体，技术数据，RF Power LDMOSTransistors，文件号：MRFE6VP61K25H，修订版4.1，2014年3月。
已知的是，为了产生适合用于激发等离子体的功率而使用晶体管、尤其LDMOS晶体管。这类晶体管通常设置用于大器类别AB中的运行。然而，如果要将这些晶体管用于其他的放大器类别、例如类别E或类别F，则通常不可能的是，在不超出制造商的关于栅极电压的规范的情况下完全地控制晶体管。然而，该超出会导致晶体管的失效和/或较低的寿命。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种高频放大器设备，借助所述高频放大器设备能够避免前面提及的缺点。
根据本发明，所述任务通过一种高频放大器设备来解决，所述高频放大器设备适用于在≥2MHz的频率下产生≥1kW的输出功率用于等离子体激发，所述高频放大器设备包括：
a.两个LDMOS晶体管，所述两个LDMOS晶体管以其源极连接端分别与接地连接点连接，其中，所述LDMOS晶体管相同地构造并且布置在一个组件(Package：封装)中，
b.印刷电路板，所述印刷电路板平面地贴靠金属的冷却板并且通过多个接地连接与可与接地连接的所述冷却板连接，其中，所述组件布置在所述印刷电路板上或布置在所述印刷电路板处，
c.功率变换器，所述功率变换器的初级绕组与所述LDMOS晶体管的漏极连接端连接，
d.信号变换器，所述信号变换器的次级绕组以第一端通过一个或多个阻性元件与一个LDMOS晶体管的栅极连接端连接并且以第二端通过一个或多个阻性元件与另一个LDMOS晶体管的栅极连接端连接，其中，每个栅极连接端通过至少一个进行电压限制的构件装置(Bauelementanordnung)与接地连接。
因此，LDMOS晶体管是完全可控制的，而不会超出允许的栅极电压。
通过设置进行电压限制的构件装置，来自信号变换器的次级绕组的控制信号的负峰值得到接地电位。因此，将负电压限制到进行电压限制的构件装置上的电压降上并且提高正的峰值电压。这表示，对于控制LDMOS晶体管的驱动器，需要较少的驱动器功率。附加地，将导通角(Leitwinkel)、即一个或两个晶体管在控制信号的一个周期期间导通的时间提高，而不需要将峰值电压增大到允许的值以上。换言之，可以将控制晶体管的时间延长。由于更高的直流分量，输入信号相对更频繁地超出阈值电压Uth，因此晶体管更频繁地导通。
通过两个LDMOS晶体管到冷却板上的良好的连接，也可以降低LDMOS晶体管的热负荷，由此进一步降低失效概率。
接地连接点可以设计用于从LDMOS晶体管到冷却板的热传输。因此，确保LDMOS晶体管的还更好的散热并且进一步降低LDMOS晶体管的热负荷。
至少一个进行电压限制的构件装置可以具有至少一个二极管，所述至少一个二极管的阴极布置在栅极侧并且所述二极管的阳极布置在接地侧。通过该措施，控制信号的负峰值通过导通的二极管得到接地电位。因此，将控制信号的负电压限制到二极管上的电压降上。
至少一个进行电压限制的构件装置可以具有多个串联连接的二极管。通过该措施可以抵消当放大器运行在饱和状态中时产生的缺点，其中，栅极偏置电压进一步增大，因此漏极电流也进一步增大，从而效率下降。在此，可以将多个快速二极管串联连接。在本发明的意义上的快速二极管在此是以下二极管：所述二极管的反向恢复时间低于周期持续时间的四分之一。在晶体管的控制频率例如为40.68MHz(即周期持续时间大约为25ns)的情况下，反向恢复时间大约为6ns。即所述二极管应该具有6ns或更短的反向恢复时间。这表示，这样的二极管仅仅可忽略的短时间地在截止方向上导通或在导通方向上截止。
二极管的串联电路可以具有不同类型的至少两个二极管。串联电路例如可以具有快速二极管和Z二极管。
至少一个进行电压限制的构件装置可以具有串联连接的至少一个二极管与至少一个电阻。由此，也可以减少上面提及的缺点。优选地，高频放大器设备对称地构造，即两个LDMOS晶体管分配有相同的构件装置。
组件布置在印刷电路板上或布置在印刷电路板处。由此，可以通过与冷却板导热连接的印刷电路板良好地冷却组件。组件可以布置在衬底上。组件可以布置在壳体中。组件的壳体可以布置在印刷电路板中的贯通槽(Durchgangsausnehmung)中。组件的连接端可以接触在印刷电路板上。组件可以安装在铜板上用于冷却。铜板可用于从组件到冷却板的热传输、尤其用于散热。铜板可以布置在印刷电路板中的与组件所布置的相同的贯通槽中。铜板可以相比组件的朝向冷却板的面具有更大的面积。匹配于铜板的和组件的面积地，贯通槽可以阶梯形地构型。附加地，这可以提高晶体管的寿命，因为它们没有如此强烈地变热。此外，通过靠近与接地连接的冷却板的布置，可以更好地抑制通过开关过程中的高电流引起的干扰。
印刷电路板可以是多层式印刷电路板、尤其是具有至少一个内层的多层式印刷电路板、尤其是具有至少四层的多层式印刷电路板。外层可以完全与接地连接，用于与同样与接地连接的冷却板的直接安装和接触。
功率变换器可以布置在所述印刷电路板上或独立的印刷电路板上，并且初级绕组可以平坦地构造在相应的印刷电路板上。由此得出初级绕组的特别成本有利的结构。也可以简单地实现功率变换器的冷却。
栅极连接端可以通过电阻连接到与接地连接的电容器上。通过这些部件以及工作点电压源可以使栅极电容放电。在此，电阻可以具有小于1kΩ的电阻值并且电容器可以具有大于1nF的电容。
这些电阻可以连接到共同的电容器上，该电容器又可以连接到工作点电压源上。
本发明的其他特征和优点从以下对本发明的实施例的详细描述中、借助附图的示出本发明重要的细节的图以及从权利要求中得出。在那里示出的特征不一定理解成按比例地并且如此示出，使得使根据本发明的特点能够清晰可见。不同的特征可以自身单独地或多个任意组合地在本发明的变型方案中实现。
附图说明
在示意图中示出并且在以下描述中进一步阐述本发明的实施例。
附图示出：
图1示出根据本发明的高频放大器设备的第一实施方式；
图2示出根据本发明的高频放大器设备的第二实施方式；
图3示出两个不同的电压变化过程用于示出本发明的作用。
具体实施方式
图1示出高频放大器设备1的第一实施方式。高频放大器设备1包括印刷电路板2，在该印刷电路板上布置有组件3。组件3具有两个LDMOS晶体管S1、S2，所述两个LDMOS晶体管相同地构造并且以其源极连接端分别与接地连接点5连接。借助其漏极连接端，LDMOS晶体管S1、S2分别与功率变换器7的初级绕组6的一端连接。功率变换器7的次级绕组4一方面与接地8连接，另一方面与高频输出端9连接。此外，高频放大器设备1还具有信号变换器10，该信号变换器具有初级绕组11，所述初级绕组连接到高频输入端12上。信号变换器10的次级绕组13一方面通过阻性元件14、尤其电阻与LDMOS晶体管S1的栅极连接端15连接。另一方面，次级绕组13通过阻性元件16、尤其电阻与LDMOS晶体管S2的栅极连接端17连接。因此，阻性元件14、16与次级绕组13串联连接。信号变换器10同样布置在印刷电路板2上，正如功率变换器7那样。
栅极连接端15通过进行电压限制的构件装置18与接地19连接，所述构件装置在此构造为二极管。在此，二极管的阴极布置在栅极侧，阳极布置在接地侧。相应地，栅极连接端17通过进行电压限制的构件装置20同样与接地21连接，所述构件装置在此同样构造为二极管。通过该措施，可以对栅极连接端15、17的控制信号进行电压偏移(幅度偏移)。
此外，栅极连接端15、17通过电阻22、23与直流电压源24、即工作点电压源连接。因此，在图1的实施例中，用于生成LDMOS晶体管S1、S2的控制信号的驱动器电路包括高频输入端12、信号变换器10、阻性元件14、16、进行电压限制的构件装置18、20、电阻22、23以及直流电压源24。
印刷电路板2平面地平放在冷却板25上，冷却板同样可与接地26连接。印刷电路板2尤其通过多个接地连接8、19、21、27与冷却板25连接。接地连接5是用于从LDMOS晶体管S1、S2到冷却板25的热传输的接地连接点。
图2示出高频放大器设备1′的一个替代的构型，其中，与图1的构件一致的构件具有相同的附图标记。高频放大器设备1′的区别在于，在这种情况下，进行电压限制的构件装置18′具有两个串联连接的二极管。相应地构造有进行电压限制的构件装置20′。
另一区别在于，电阻22、23与电容器30连接，该电容器自身与接地27连接。在连接端31处连接有直流电压源(工作点电压源)。
图3在时间上示出多个电压变化过程，如同所述多个电压变化过程在栅极连接端15、17上作为控制信号存在那样，其中，当不存在进行电压限制的构件装置18或18′时，电压变化过程100存在于栅极连接端15上，当未设置进行电压限制的构件装置20或20′时，电压变化过程101相应地存在于栅极连接端17上。进行电压限制的构件装置18、18′、20、20′的作用在电压变化过程102、103中是可见的，在那，电压变化过程102、103的负峰值大约被限制到进行电压限制的构件装置18、18′、20、20′的电压上、尤其被限制到落在一个或多个二极管上的电压上。总体而言，当使用进行电压限制的构件装置18、18′、20、20′时，存在于栅极连接端15、17上的电压变化过程102、103的电压偏移到更高的电压值。尤其将正的峰值电压提高，并且将栅极连接端15、17的控制信号的负峰值例如限制到进行电压限制的构件装置18、18′、20、20′的电压降上，例如二极管上的电压降上。由此，需要更低的驱动器功率、即高频输入端12上的高频信号的功率。更小的栅极电压导致LDMOS晶体管S1、S2的失效风险的降低。

Claims (26)

1.一种高频放大器设备(1)，其适用于在≥2MHz的频率下产生≥1kW的输出功率用于等离子体激发，所述高频放大器设备包括：
a.两个LDMOS晶体管(S1，S2)，所述两个LDMOS晶体管以其源极连接端分别与接地连接点(5)连接，其中，所述LDMOS晶体管(S1，S2)相同地构造并且布置在一个组件(3)中，
b.印刷电路板(2)，所述印刷电路板平面地贴靠金属的冷却板(25)并且通过多个接地连接(8，19，21，24)与能够与接地连接的所述冷却板(25)连接，其中，所述组件(3)布置在所述印刷电路板上或布置在所述印刷电路板处，
c.功率变换器(7)，所述功率变换器的初级绕组(6)与所述LDMOS晶体管(S1，S2)的漏极连接端连接，
d.信号变换器(10)，所述信号变换器的次级绕组(13)以第一端通过一个或多个阻性元件与一个LDMOS晶体管(S1)的栅极连接端连接并且以第二端通过一个或多个阻性元件与另一个LDMOS晶体管(S2)的栅极连接端连接，其中，每个栅极连接端通过至少一个进行电压限制的构件装置与接地连接。
2.根据权利要求1所述的高频放大器设备，其特征在于，所述接地连接点(5)设计用于从所述LDMOS晶体管(S1，S2)到所述冷却板(25)的热传输。
3.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，至少一个进行电压限制的构件装置具有至少一个二极管，所述至少一个二极管的阴极布置在栅极侧并且所述二极管的阳极布置在接地侧。
4.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，至少一个进行电压限制的构件装置具有多个串联连接的二极管。
5.根据权利要求4所述的高频放大器设备，其特征在于，二极管的串联电路具有不同类型的至少两个二极管。
6.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，至少一个进行电压限制的构件装置具有串联连接的至少一个二极管与至少一个电阻。
7.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，所述功率变换器(7)布置在所述印刷电路板(2)上或独立的印刷电路板上，并且所述初级绕组(6)平坦地构造在相应的印刷电路板(2)上。
8.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，每个栅极连接端通过电阻(22，23)连接到与接地连接的电容器(30)上。
9.根据权利要求8所述的高频放大器设备，其特征在于，所述栅极连接端此外通过电阻(22，23)与直流电压源(24)连接。
10.根据权利要求9所述的高频放大器设备，其特征在于，所述电阻(22，23)连接到共同的电容器(30)上。
11.根据权利要求10所述的高频放大器设备，其特征在于，所述共同的电容器(30)连接到所述直流电压源(24)上，通过所述直流电压源能够使栅极电容放电。
12.根据权利要求8所述的高频放大器设备，其特征在于，所述电阻(22，23)具有小于1kΩ的电阻值并且所述电容器(30)具有大于1nF的电容。
13.根据以上权利要求4所述的高频放大器设备，其特征在于，所述串联连接的二极管具有低于所述LDMOS晶体管(S1，S2)的控制频率的周期持续时间的四分之一的反向恢复时间。
14.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，所述高频放大器设备对称地构造，其中，所述两个LDMOS晶体管(S1，S2)分配有相同的构件装置。
15.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，所述组件(3)布置在所述印刷电路板(2)上或布置在所述印刷电路板(2)处，从而所述组件(3)通过所述印刷电路板(2)冷却，所述印刷电路板与所述冷却板(25)导热连接。
16.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，所述组件(3)布置在衬底上。
17.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，所述组件(3)布置在壳体中。
18.根据权利要求17所述的高频放大器设备，其特征在于，所述组件(3)的壳体布置在所述印刷电路板(2)中的贯通槽中。
19.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，所述组件(3)的连接端接触在所述印刷电路板(2)上。
20.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，所述组件(3)安装在铜板上用于冷却。
21.根据权利要求20所述的高频放大器设备，其特征在于，所述铜板布置在所述印刷电路板(2)中的与所述组件(3)所布置的相同的贯通槽中。
22.根据权利要求20所述的高频放大器设备，其特征在于，所述铜板相比所述组件(3)的朝向所述冷却板(25)的面具有更大的面积。
23.根据权利要求21所述的高频放大器设备，其特征在于，所述贯通槽阶梯形地构型以匹配于所述铜板的和所述组件(3)的面积。
24.根据权利要求1或2所述的高频放大器设备，其特征在于，所述印刷电路板(2)是多层式印刷电路板。
25.根据权利要求24所述的高频放大器设备，其特征在于，所述印刷电路板(2)是具有至少一个内层的多层式印刷电路板。
26.根据权利要求24所述的高频放大器设备，其特征在于，所述印刷电路板(2)是具有至少四层的多层式印刷电路板。
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