1 引言

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微波晶體管(以下簡稱微波管)是指用于微波頻段的放大,輸出較大功率,散發(fā)出較高熱量的晶體管。微波功率管是固態(tài)發(fā)射機及T/R組件的核心器件,其可靠性對系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)起著決定性的作用。微波功率管的可靠性分固有可靠性和使用可靠性兩部分。固有可靠性主要靠生產(chǎn)廠在器件的設(shè)計、工藝、原材料選用等過程中來保證。而統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,器件的使用方一產(chǎn)品設(shè)計師,對器件的選擇、使用過程中存在某些失控所導(dǎo)致的器件失效比例幾乎占到器件總失效率的50%。所以,作為微波工程師,除了按照要求選用合適質(zhì)量等級的微波功率管外,在使用當(dāng)中也有諸多的注意事項,以保證微波功率管的使用可靠性。 2瞬態(tài)過載微波功率管存在一個安全工作的范圍,即通常所說的安全工作區(qū)(如圖1所示)。他是一個由最大集電極電流ICM,雪崩擊穿電壓BVCEO,最大耗散功率PCM和二次擊穿觸發(fā)功率PSB這些參數(shù)所包圍的區(qū)域。這些均為功率管的極限參數(shù),設(shè)計師在使用微波功率管時,為保證可靠性,一般都會有意識地使器件工作參數(shù)落在安全區(qū)內(nèi),且有一定程度的降額。但是,微波功率管在正常使用當(dāng)中可能發(fā)生某些電應(yīng)力的瞬態(tài)過載,易使器件損壞,而這些在設(shè)計中往往沒有被考慮或未引起足夠的重視。

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2.1 派涌電壓(電流)

雷達(dá)發(fā)射機用微波功率管一般工作在脈沖狀態(tài),輸入信號為一個矩形脈沖波,其工作電流在幾百納秒甚至幾納秒的時間內(nèi)發(fā)生很大變化,而電荷的儲存和釋放均需要一定的時間,所以在脈沖啟動或關(guān)斷時的轉(zhuǎn)換瞬間便有浪涌出現(xiàn)。圖2為某脈沖功率放大晶體管在使用時集電極的電壓波形。

如果電壓(電流)過沖超出允許范圍,微波功率管就會因為擊穿而被燒毀或?qū)е掠谰眯該p傷,另外,浪涌還會通過電磁輻射影響其他。

為了防止浪涌,需要加保護。比較簡便的方法是接旁路(有時稱去耦)。這是因為浪涌電壓具有很高的頻率成分,故在饋電上接旁路加以抑制。旁路電容應(yīng)該是低電感的高頻電容,如多層陶瓷電容和鉭電解電容。保護電路常用的方法還有加鉗位二級管來限制浪涌電壓的幅度。

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2.2 失配

一般來說,微波功率管的輸入、輸出阻抗都很低,如BJT輸入阻抗實部只有幾個歐姆。故功率晶體管在使用中都要與系統(tǒng)阻抗(一般為50 Q)匹配。設(shè)計師在設(shè)計匹配電路時,均會盡量使微波功率管處于匹配狀態(tài)或失配很小在允許的范圍內(nèi)。但通常在放大器中需要多級晶體管級聯(lián)工作,后級放大電路作為前級放大器的負(fù)載,其特性發(fā)生變化時,會導(dǎo)致前一級的負(fù)載失配,負(fù)載駐波系數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)晶體管輸出較大功率時,輸出電路的失配甚至?xí)辜姌O受到數(shù)倍于電源電壓的瞬時峰值電壓,造成燒毀。

為了防止微波功率管在使用中的失配而燒毀,需加強放大電路之間的級間隔離,如在每級之間加隔離器,利用隔離器的單向傳輸特性使得負(fù)載變化對功率管的影響減弱,起到保護功率管的作用。一般在大功率使用情況下,應(yīng)盡量避免兩級以上的晶體管放大器無隔離的級聯(lián)。 3結(jié)溫和熱阻

微波功率管是溫度敏感的器件。對于硅管,最高結(jié)溫Tjm一般在200℃,而鍺管一般在125℃。結(jié)溫對功率管的可靠性有很嚴(yán)重的影響,如NPN功率管,在 140℃下的故障率為20℃時的7.5倍。故從可靠性設(shè)計的角度考慮,在使用中要盡量降低微波功率管工作時的最高結(jié)溫,即對結(jié)溫采用降額。

微波功率管工作時的結(jié)溫有以下表達(dá)式:

其中,Ta為環(huán)境溫度,RT是晶體管的散熱熱阻,PCM為晶體管的最大耗散功率,RT又包含晶體管的內(nèi)熱阻、散熱材料的熱阻(又稱外熱阻)以及晶體管與散熱材料的接觸熱阻3部分。

從式中看出結(jié)溫的降額途徑,一是降低微波功率管的最大耗散功率,即對電壓、電流進(jìn)行降額使用;二是改進(jìn)散熱方式,降低RT。外熱阻是由材料的特性決定的。內(nèi)熱阻決定于器件設(shè)計、材料、結(jié)構(gòu)和工藝,是半導(dǎo)體自身的屬性。設(shè)計師應(yīng)盡可能選擇內(nèi)、外熱阻小的器件和材料。為了減少功率管外殼與散熱器間的接觸熱阻,可采取的措施有:確保接觸表面平滑,扭緊螺釘來加大接觸壓力,用導(dǎo)熱化合物填塞空隙等。

4參數(shù)漂移

微波功率管在使用中會遇到參數(shù)漂移的問題,設(shè)計師在設(shè)計電路時,應(yīng)當(dāng)避免敏感設(shè)計,使得晶體管在電路或環(huán)境等參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時,仍能正常工作,這也就是可靠性設(shè)計中的容差設(shè)計。

引起參數(shù)變化的因素包含加工制造公差、溫度變化、輻射影響等(在討論使用可靠性時,我們忽略了微波功率管自身參數(shù)隨時間的變化)。設(shè)計師在設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)借助試驗手段,掌握有關(guān)參數(shù)變化產(chǎn)生的影響--如通過環(huán)境試驗獲得微波功率管參數(shù)隨溫度變化的特性,通過電壓拉偏試驗了解其對指標(biāo)的影響等。也可以用CAD手段進(jìn)行容差設(shè)計。圖3為用微波仿真軟件設(shè)計電路的某一參數(shù)在變化5%(模擬加工公差)時,使得端口參數(shù)Su在一定的范圍發(fā)生變化。通過仿真,可以判斷某參數(shù)是否為敏感的參數(shù),其可能的變化范圍是否會影響電路的正常工作。

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5 結(jié) 語

由于微波功率管電路參數(shù)的復(fù)雜性,其工作條件的個體差異性,所以微波功率管的可靠性設(shè)計工作也是一個復(fù)雜的工程。在實際設(shè)計中,設(shè)計師應(yīng)當(dāng)針對具體情況進(jìn)行分析,抓住主要矛盾,這樣才能快捷地解決問題,有效利用微波功率管的壽命周期。