射频功率放大器制造技术

一种射频(RF)功率放大器，其包括至少一个场效应晶体管FET，其中，该至少一个FET的源极端子接地。包括至少一个二极管，其中，所述至少一个二极管的阴极连接到所述至少一个FET的漏极端子，并且所述至少一个二极管的阳极接地。输出网络连接到所述至少一个FET的漏极端子。输入网络连接到所述至少一个FET的栅极端子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】射频功率放大器
本公开总体上涉及射频(RF)功率放大器、包括RF功率放大器的发生器和被配置为与RF功率放大器的输出连接的等离子体系统。
技术介绍
RF功率放大器用于在各种应用中提供输出功率，包括等离子体工具、半导体制造(例如薄膜的沉积、蚀刻和改性)、医疗设备(例如电外科设备和医疗成像机器，如磁共振成像、MRI、机器)、食品包装、商业表面改性和涂层。RF功率放大器包括晶体管，作为功率放大模块的一部分，如果没有适当的保护，可能会出现故障。这里，射频能量在300赫兹到300千兆赫的范围内。晶体管有许多故障机制。由于晶体管故障是不可逆的，并且会对芯片造成附带损坏，因此很难确定晶体管是如何故障的。例如，对于场效应晶体管，如果栅极和源极之间的电压超过临界电平，则栅极的隔离层可能被破坏。这种故障可以非常快地发生，但是可以通过限制所施加的栅极电压来避免。另一故障机制可以是当晶体管打开并且电压和电流同时存在并且其乘积太高或者晶体管闭合时由过度功率耗散引起的晶体管的过热，但是由于过电压，发生击穿或雪崩击穿，并且所施加的电压和雪崩电流的乘积高到足以使晶体管过热。由于该故障是热的并且相对缓慢，所以可以通过快速控制回路监测放大器的负载并且比可能发生过热更快地降低其功率来避免该故障。另一个故障机制是“骤回”，即触发FET结构中的寄生双极结型晶体管。引起骤回的条件是复杂的，包括漏极电压、漏极电压增加率(dV/dt)和/或漏极电流。这种故障机制极快并且不能通过软件控制回路来避免。甚至负载阻抗的瞬时失配(等离子体中的电弧放电)也引起RF功率的反射，使得晶体管处(例如，包括在放大器中的FET的漏极处)的峰值电压可能达到或超过其击穿电压。电压的增加速率(dV/dt)可以比在匹配负载中操作期间高得多。放大器电路可以包括一个或多个高强度晶体管，其被设置为例如通过将能量转换为热并将其传递到散热器而承受导致击穿的过电压。存在一些情况，特别是在较低频率的放大器中，传统放大器电路中的一个或多个高坚固性晶体管被破坏，尽管晶体管具有这种坚固性特性。详细的实验研究已经表明，例如，在等离子体中的电弧放电导致一个或多个晶体管在几个RF周期内失效期间，晶体管漏极处的电压超过其击穿电压和/或电压增加速率(dV/dt)比进入匹配负载的正常操作期间高几倍。对具有高输出功率的基于FET的放大器的另一详细研究已经表明，即使在漏极电压和dV/dt保持在其临界值以下的情况下，也可能触发骤回机制，并且FET可能在RF周期的一半期间失效。用于等离子体工业的功率RF发生器必须足够坚固，能够在任何不匹配负载的全输出功率下工作，至少在根据降额曲线降低功率所需的时间内工作，以保护有源和无源元件免受过热。发生器必须承受的附加应力是在突然失配(例如等离子体中的电弧)的情况下回流到发生器的匹配网络中的累积能量，这通常导致在几个RF周期内反射比入射功率更高。这种发生器中的固态放大器通常填充有场效应晶体管，例如VDMOS(垂直扩散金属氧化物半导体)或LDMOS(侧向扩散金属氧化物半导体)FET(场效应晶体管)。LDMOS-FET具有低寄生电容和热阻，导致高功率密度。功率LDMOSFET可作为XR(额外加固)提供，旨在承受甚至完全不匹配操作引起的过电压和过电流，以降低RF功率和/或调谐匹配网络所需的时间。一些这样的放大器被布置为推挽放大器，其提供了优于单端放大器配置的相当大的优点。为了实现相同的输出功率电平，具有例如两个晶体管的推挽式配置具有有利的阻抗，与其中两个晶体管并联连接的单端放大器配置相比，该阻抗高四倍。这使得能够实现具有较少损耗和增加带宽的输出匹配网络。此外，推挽式布置固有地为偶次谐波频率提供适当的端接，并且不必为偶次谐波端接实施另外的复杂电路。MOSFET(尤其是LDMOSFET)的一个重要缺点是在MOSFET结构中存在寄生双极结型晶体管BJT。寄生BJT是常闭的。如果被触发，MOSFET就不能再被栅极控制，如果电源电压没有立即关闭，MOSFET会在短时间内失效。当寄生BJT被触发时，通常不可能关断电源电压。有两种公开的触发寄生BJT的机制。一种是超过晶体管所允许的雪崩能量的严重雪崩击穿(在XRLDMOSFET的情况下，通常大于1焦耳)或非常快速地导通(高dV/dt)，从而导致电流通过寄生电容流入寄生BJT的基极。本专利技术人还观察到连接的LDMOSFET的故障，特别是推挽放大器装置中的那些故障，在严重失配条件下，在既没有太高的电压也没有dV/dt被施加到RF功率放大器的晶体管的时间中的几个RF周期之后的故障。因此，需要提供一种RF功率放大器，其包括保护其晶体管免于故障和损坏的电路。RF功率放大器理想地包括这样的保护电路，而不过度地增加功率放大器的电路覆盖区和成本。此外，结合附图和本专利技术的
技术介绍
，通过随后对本专利技术和所附权利要求的详细描述，本专利技术的其他期望的特征和特征将变得显而易见。
技术实现思路
在一个方面，提供了射频RF功率放大器，其包括至少一个场效应晶体管FET和连接在至少一个FET的每个漏极和地面之间的至少一个二极管。在另一方面，提供了射频RF功率放大器，其包括至少一个场效应晶体管FET，其中，所述至少一个FET的源极端子接地。包括至少一个二极管，其中，所述至少一个二极管的阴极连接到所述至少一个FET的漏极端子，并且所述至少一个二极管的阳极接地。输出网络连接到所述至少一个FET的漏极端子，并且输入网络连接到所述至少一个FET的栅极端子。在实施例中，第一二极管连接在第一FET的漏极和地面之间，并且第二二极管连接在第二FET的漏极和地面之间。在实施例中，第一FET和第二FET以推挽式布置连接。在实施例中，第一FET的漏极和第二FET的漏极通过无源匹配网络(输出匹配网络)连接。本专利技术人已经发现，在某些操作条件下，在RF功率放大器中的FET的漏极处接收到反向电流。在负载失配情况下，这可由单端或推挽FETRF功率放大器中的电感漏极负载引起。在具有两个FET的推挽式布置中，第一FET的漏极处的反向电流可由电容性负载处的第二FET引起。这种反向电流可伴随有在体区域中的电荷载流子的注入，并且即使当既没有过大的电压也没有过大的dV/dt被施加到FET时，也能够触发寄生BJT。二极管布置在漏极和地面之间，并且用于路由反向电流的有效部分(或全部)，从而降低寄生BJT被触发的可能性，并且因此保护至少一个FET免于故障或损坏。在实施例中，RF功率放大器具有100kHz至200MHz的工作频率范围。在实施例中，RF功率放大器具有高达100MHz的工作频率范围。在附加或替代实施例中，RF功率放大器具有至少400kHz的工作频率范围。在实施例中，RF功率放大器具有至少100W的输出功率。在实施例中，RF功率放大器具有至少200W的输出功率。在实施例中，RF功率放大器具有至少250W的输出功率。在一些实施例中，在RF功率放大器中包括推挽式布置中的多个并联FET对。在实施例中，FET是横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)FET本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射频(RF)功率放大器，其包括：/n至少一个场效应晶体管FET，其中，所述至少一个FET的源极端子接地；/n至少一个二极管，其中，所述至少一个二极管的阴极连接到所述至少一个FET的漏极端子，并且所述至少一个二极管的阳极接地；/n输出网络，其连接到所述至少一个FET的漏极端子；以及/n输入网络，其连接到所述至少一个FET的栅极端子。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181221 GB 1821113.61.一种射频(RF)功率放大器，其包括：
至少一个场效应晶体管FET，其中，所述至少一个FET的源极端子接地；
至少一个二极管，其中，所述至少一个二极管的阴极连接到所述至少一个FET的漏极端子，并且所述至少一个二极管的阳极接地；
输出网络，其连接到所述至少一个FET的漏极端子；以及
输入网络，其连接到所述至少一个FET的栅极端子。


2.根据权利要求1所述的RF功率放大器，所述RF功率放大器包括：
至少两个FET，其中，所述至少两个FET被配置为用不相等相位的输入信号来驱动，其中，所述输出网络包括至少一个变压器，并且至少一个二极管连接在所述至少两个FET的每个漏极端子与地面之间。


3.根据权利要求2所述的RF功率放大器，其中，所述至少两个FET被配置为用异相的输入信号180°来驱动。


4.根据权利要求2所述的RF功率放大器，其中，所述变压器是平面变压器。


5.根据权利要求1或2所述的RF功率放大器，其中，所述至少一个二极管经由正电压源接地。


6.根据权利要求1所述的RF功率放大器，所述RF功率放大器包括：连接在所述至少一个FET的漏极和地面之间的至少两个并联二极管。


7.根据权利要求2所述的RF功率放大器，其中，所述输出网络包括：连接在所述至少两个FET的漏极端子之间的至少一个电容器。


8.根据权利要求1或2所述的RF功率放大器，其中，所述输出网络包括：连接在至少一个FET的漏极和地面之间的至少一个电容器。

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·格鲁纳，安德烈亚斯·哈特曼，菲利佩·登勒，马库斯·赖夫，安德烈·格雷德，安东·拉班克，
申请(专利权)人：康姆艾德公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH