UAC389AE02 HIEE300888R0002 自激振荡RF发生器:GaN技术支持高压、高效设计

　　射频(RF)技术的进步带来了创新设计，改变了100 MHz以下频段的应用。其中，高效率自振荡E类射频发生器因其简单、稳定和出色的性能脱颖而出，因为它利用了氮化镓(GaN)晶体管。这些发电机可以实现超过95%的效率，输出电压从几千伏到几瓦到1千瓦，这取决于应用。

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　　自振荡E类发生器非常适合在精确振荡频率不太重要的应用中高效产生高压RF信号，因为它们无需外部信号源或严格的频率控制。自激振荡设计还受益于自动调谐谐振回路电路参数的微小变化，使其对元件容差和环境变化具有弹性。通过在支持GaN的E类驱动器级以及GaN驱动器中实现自振荡，这种设计进一步提高了效率，因为GaN器件具有出色的开关特性。此外，启动电路通过确保振荡在上电时正确启动来提高可靠性。

　　设计和操作

　　图1显示了一个工作频率为13.56 MHz的自振荡E类发生器。这种设计利用GaN FETs实现95%以上的效率，同时产生几kV的输出电压，适合工业、科研和医疗领域的电介质加热、离子阱和RF激光器等应用。

　　图一。工作频率为13.56 MHz的E类自激振荡发生器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　初始启动和振荡

　　当电路首次上电时，Vstart提供初始信号来启动振荡过程。Vstart是一种振荡器，其工作频率接近E级的目标工作频率(13.56 MHz)。其输出通过电阻器R9耦合到栅极驱动器U1 (LMG1025)的输入。

　　栅极驱动器驱动Q1 (EPC2307 GaN FET)的栅极，使其以Vstart频率开始开关。当Q1开关时，它驱动由L2和C6组成的谐振回路。C11充当E类配置中典型的分流电容，对电压波形进行整形。储能电路积累能量，并且连接L2、C6、RL和C3的节点处的交流电压幅度增加，产生几乎正弦波形。

　　反馈和自激振荡机制

　　来自储能电路的交流信号由电容C3拾取，并馈入比较器U2 (TLV3601)的正输入端。电阻器R4和电容器C2形成分压器并提供DC偏置。比较器的负输入连接到DC参考电压(VCC3)。

　　当交流幅度足够大时，U2将其输出切换到与交流信号同相，跟随初始Vstart频率。比较器的输出对由C4、R7、D1、D2、R6和C5组成的峰值检波器电路充电。一旦C5上的电压达到阈值(例如，1 V)，它触发SW1停止Vstart信号，允许电路进入自激振荡模式。

　　自激振荡和稳态运行

　　在自激振荡模式下，U2继续利用谐振回路的反馈来驱动U1。自激振荡频率主要由L2和C6决定，在此特定设计中约为13.56 MHz。该电路经过精心调整，保持在E类工作区域内，通过最大限度地减少Q1开关期间电压和电流之间的重叠来确保高效率。

　　性能洞察

　　图2和图3提供了进一步的见解。图2显示了GaN FET的漏极和栅极电压波形，证实了E类工作模式，因为当漏极电压达到零时，FET开启，转换期间的功耗降至最低。图3显示了电路上电后负载上的幅度增加，证明了高效的能量传输和稳态振荡的快速实现。

　　图二。漏极和栅极电压波形证实了E类操作。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　输出电压和效率

　　在最佳工作点，RL上的输出电压约为2.75 kV RMS，RL上的功耗为75.5 W。模拟效率超过95%。然而，实际实现中测得的效率往往略低，这是因为诸如元件缺陷、寄生元件和仿真中未考虑的额外电路损耗等因素。通过进一步调整和优化，该电路可适用于电介质加热、离子阱或RF激光应用。

　　管理组件漂移和负载变化

　　高Q谐振回路对元件L2和C6的微小变化敏感，影响输出幅度和效率;并且负载偏离目标值(例如100kω)也会导致GaN FET的效率降低和潜在过热。

　　自动调谐技术，例如通过MOSFETs在并联电容和储能电容中使用压控可调电容，能够解决这些问题。自适应控制机制可以实时调整电路参数，以便在元件漂移或负载变化的情况下保持最佳性能。

　　图3。给电路供电后，负载上的振幅增大。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　利用射频电源改造行业

　　自激振荡E类射频发生器的创新是影响100 MHz以下各个领域的更广泛趋势的一部分。例如，RF能量为用于干燥和固化塑料以及烹饪食物的介电加热提供能量，并为RF激光器(例如，CO2)进行精密切割、焊接和雕刻。半导体制造使用射频等离子体来蚀刻和沉积微米和纳米尺度的材料。RF系统在粒子加速器、质谱离子阱和医疗处理中也是不可或缺的，例如通过微创手术破坏癌细胞或纠正心律失常的RF消融。

　　固态射频和非线性效率

　　从基于真空管的系统到固态技术的转变彻底改变了射频的产生。GaN FETs提供更高的效率、更低的热量以及更小、更可靠的设计。固态系统还可以延长寿命，降低运营成本，最近的进展使它们能够处理以前只能由电子管系统管理的功率水平。将有源器件用作开关可以提高效率，但降低线性度，在许多不需要精确线性放大的RF应用中，这是一个可以接受的折衷方案。

　　E类发生器可实现85%至95%的效率，设计简单，非常适合射频加热和等离子体生成。F类发生器理论上可以超过90%的效率，适合线性度不太重要的RF频率下的高功率输出。D类半桥发生器经常在13.56 MHz等频率下用于工业射频加热和等离子体生成，但在更高频率下，由于开关损耗增加，效率会降低。

　　高效自振荡E类射频发生器

　　高效率、自振荡E类射频发生器的开发正在改变100 MHz以下频段的应用。通过利用GaN技术和创新设计方法的优势，这些发电机可以提供出色的性能。他们高效、可靠地产生高压射频能量的能力将有助于开辟重大的新可能性，并推动多个领域的现有技术。

　　在实施这些系统之前，建议读者查阅详细的工程文本和技术资源，以解决任何具体的设计挑战和安全考虑。