功率器件十篇

功率器件篇1

大功率器件、模块或超大规模集成电路在工作过程中有较大的损耗，产生大量的热量使器件或模块的温度升高，若不采取冷却措施，器件的管芯的温度会超过硅片的结温温度(150℃左右)，管芯会因过热而烧毁。因此，大功率器件、模块、超大规模集成电路要根据其发热的情况采取各种不同的冷却措施以保证其安全工作。

近年来，不少大功率器件在封装上由穿孔式改成贴片式，这使传统的散热、冷却的结构发生变化，从而开发出不少新型冷却装置及新型温度检测及风扇控制集成电路。这使电路工作更安全、减少噪声及更节能。

本文介绍一些散热器、冷却风扇及风扇控制器集成电路的应用。

器件的热量产生

集成电路是由许多三极管、二极管及电阻等小元器件组成的。每一个小元器件在工作时都有一些损耗。例如，三极管在线性范围工作时，其损耗为Vce×Ic；二极管在工作时，其损耗为VF×IF。这些损耗都转化成热量，是热量产生的原因。

集成度低的IC，损耗小，发热量不大。所产生的热量还可以通过封装材料或金属引脚传到空气中和印制板的敷铜走线上，温升不大，无须采用任何冷却措施。

如果是超大规模集成电路，并且工作在很高频率时，其损耗是很大的。如现代的高速台式计算机或服务器的核心器件CPU，它在工作时会产生大量的热量，使管芯温度很快升到150℃以上，往往需要用带有风扇的专用散热器来冷却。如果在CPU上拿掉带风扇的专用散热器，则CPU会在数分钟内冒烟、烧毁。

有一些大功率器件或模块(如大功率运算放大器、固态继电器)，虽然其集成度不高，但若工作于高电压、大电流状态，其自身的功耗也是很大的，即使是大功率三极管、功率MOSFET或IGBT一类分立器件，如果在高频率、高电压、大电流工作条件下，也会产生较高的温度而需要采取合适的冷却措施。

发热与冷却是一对矛盾。在产品设计中尽量选用功耗低的器件，但不可避免地还有不少会产生大量热量的器件，则要进行热计算、设计散热结构。这往往会影响到产品的结构、外形尺寸大小，其设计的好坏还会影响产品的质量及生产成本。

常用的冷却措施

常用的冷却措施有加散热器、冷却风扇、热电冷却器、水冷却器。它们的特点及应用如表1所示。

在台式电子设备中，应用最广的冷却措施是散热器和散热器加冷却风扇。

散热器及其应用实例

这里将介绍一些散热器及其应用实例。

1．多个散热器的应用实例

在电子设备中往往有多个功率器件，其发热量不同，往往采用不同尺寸、结构的散热器。图1是一个台式计算机中的开关电源(输入功率770W)的内部结构。它有3个散热器(1～3)。1上安装了一个功率器件，而2、3上各安装了3个功率器件。散热器2的功率器件安装情况如图2所示。

由于该电源仅用散热器尚不足达到散热目的，还需采用冷却风扇产生的强气流来加强散热，如图1上部所示(主要冷却散热器2)。

2．大型型材散热器大型型材散热器如图3所示。上图为输出100W的AC／DC变换器，下图为50W的AC／DC变换器。

3．小尺寸功率器件及小型功率模块的散热器

贴片式封装尺寸要比同型号DIP封装的尺寸小得多，不能像CPU一样在顶部加一个小型散热器(其散热效果也不佳)。但不少贴片式功率器件在器件底部有的散热垫(如图4所示)，它与PCB的大面积地

线连接可达到散热效果。有的器件用增加引脚的方式使热量从引脚传到印制板达到散热的目的。为了更进一步散热，往往在PCB的底部加一块铝板或散热器实现冷却、散热，如图5所示。

冷却风扇

冷却风扇产生强气流将散热器的热量排出机箱以达到冷却的目的。冷却风扇有交流或直流供电(交流为市电)，直流供电时有不同的工作电压(如5V、9V、12V、24V等)，根据不同的气流量其外型尺寸不同、耗电也不问。

一般常用的是直流轴流型无刷电机组成的冷却风扇，其形状为正方形，尺寸为16mm×16mm～120mm×120mm，其转速从几千个rpm到上万rpm(小型磁悬浮轴承风扇)，气流量从零点几个CFM到几十个CFM。选择风扇时还要注意噪声大小及工作寿命。

当电子设备要求较大的气流量时，则要选一台大尺寸的风扇，往往采用2-3台小尺寸的风扇来代替大尺寸风扇，这样可以减小机箱的高度尺寸。

近年来，冷却风扇也不断地改进。例如，为增加转速、减小噪声、提高寿命(风扇损坏往往是轴承损坏开始)，开发了磁悬浮轴承的冷却风扇，小尺寸的冷却风扇转速可达17000rpm。为适用于便携式设备的冷却，开发出低功耗、超小型冷却风扇。如型号为F16EA的直流无刷冷却风扇，其尺寸为16mm×16mm×4mm，重1．3g，工作电压3．3V，电流0．02A，气流量为0．43CFM，其噪声甚小，仅4dBa。适合于电池供电的便携式设备用，其外形如图6所示。

一种尺寸较大的San Acc 120直流冷却风扇，其工作电压有12V、24V及48V三种，尺寸为120mm×120mm×38mm，在60℃温度下平均寿命为40000小时，并有转速信号输出，可输入PWM信号对风扇实现调速。这可减小噪声、功耗，并可延长风扇寿命。其风扇外形如图7所示。

温度检测与风扇控制IC

早期的冷却风扇是没有控制的，设备的电源一打开，风扇则全速运行，不管功率器件是否是轻载还是重载或是空载，直到设备的电源关断时，冷却风扇才停止工作。这样电路是简单了，但风扇的噪声大、耗电大，并且风扇的寿命短。

如果能测量功率器件的温度，若其温度不高，则风扇可不工作；若温度超过设定的阈值时，风扇工作；若能根据器件的温度高低用PWM信号来控制转速(调节气流量)，使达到温度高时转速高，温度低时转速低，这是最佳的控制方式。另外，能检测风扇的转速，如风扇有故障(如转速下降或转子卡死)，则需要系统断电以防止功率器件过热而损坏，这样可更加安全。

近年来，开发出很多温度检测及风扇控制IC。这里仅举一个简单的双温度开关MAX6685，它可以检测CPU或FPGA一类内部有温度传感器的管芯温度，并可由用户设定风扇运行时的低阈值温度(超过低阈值温度时，风扇运行)；另外，还有工厂设定的高阈值温度(120℃或125℃)，若风扇有故障停转或减速，使管芯温度超过高阈值温度，给出信号可切断系统电源以保证系统的安全。

图8是MAX6685的应用电路图，功率器件可以是CPU、FPGA(现场可编程门阵列)或专用IC(内部的三极管，利用发射极及基极组成一个PN结的二极管测温传感器，检测管芯的温度)。内部的测温二极管接在DXP及DXN端。S1、S2端为低阈值温度设定端，现S1、S2接地(GND)，低阈值温度为75℃。当超过75℃时，TLOW端输出高电平，外接N-MOSEFT导通，风扇运转对器件实行冷却。若风扇有故障，器件温度升高到超过120℃或125℃时，THIGH输出低电平，此信号使系统电源切断，以保证系统的安全(THIGH内部为开漏结构)。

该器件型号后缀中有L时，其高阈值温度为120℃；后缀后中有H时，其高阈值温度为125℃。另外，型号的后缀中有40时，其低阈值温度范围为+40℃～+80℃；后缀中有75时，其低阈值温度范围为+75℃～+115℃。低阈值温度由用户设定，S1、S2的接法与设置的低阈值温度值如表2所示。

功率器件篇2

【关键词】电子电路；功率器件故障特征；参数提取

现代化的电力电子电路经常被应用到各个领域中，一般情况下，电力电子主动率器件是一个相当重要的组成部分，因此需要利用对现有的源功率器件来进行开关的控制。在此种情况下，就需要充分的对电路中的重要功率器件进行状态的检测，并且提取出相关的故障特征参数来充分的实现对电路运行每个功率器件的故障诊断，从而提升整个电子电路系统的稳定性。

1.电子电路关键元器件的失效原理以及其故障特征参数

在电子电路的关键元器件中，其发生铝电解电容的主要功能部件为电容器芯子，由介质、电解液、衬垫纸等部分，其中衬垫纸起着绝缘作用，可以实现对介质中能量的充分储藏，因此进行铝电解电容的失效可分为灾难性失效和缓变型失效两种失效机制。灾难性失效主要指由于短路或开路造成电容的功能完全失效，而缓变型失效主要是指随着电容工作时间的增加对其性能产生衰退的作用。引起失效现象的原因有较高的工作电压、反向偏压、纹波电流等。在铝电解电容的性能方面主要是根据其介质的部分发生的变化而产生相对应的变化的，也可以被称之为阳极金属氧化膜，在金属氧化的过程中，受到了其工作应力的严重影响，对电解液会造成一定程度的影响，电解液会不断修补并增厚该氧化膜，使得电容的等效串联的电流产生增大的现象，与此同时其中的电容值也会得到不断的减小。且在这个过程中ESR的消耗也会进一步的增大，在提升了工作温度的同时，也不断加速了电解液的挥发，最终导致了电容值的快速下降的现象。在电力电路器件的运过程中，电感器属于一个相当重要的部分，可以起到储能和滤波的作用。因此如果处于高频的工作条件之下的话，在工作时间得到不断加深的同时，其中的电感的线圈温度也会得到不断的加深，最终对电路的工作状态产生相当大的影响。

2.电力电路参数故障特征的诊断方式

元器件故障是电子电路故障的主要形式之一，因此在对其故障进行检测的过程中，要对电路中所产生的变化程度来对其电路的性能做出不断的分析。电路故障可以分为结构性和参数性故障。结构性故障是指电力电子电路中的开关元器件出现开路、短路、或者由于驱动电路故障而导致电路拓扑发生变化的故障。参数性故障是指电器元器件所具有的参数值和标准值相比较过程中产生较大偏移而引起的一类故障模式，从而实现对组成电力电子电路的各种功率元器件所造成的工作应力产生一定的影响，比如电路正常运行的时，经常需要承受较大的电流、高压以及温度等外界因素，因此在工作应力方面会产生相当大的影响，最终对元器件的性能造成影响，对元器件自身的参数造成一定的偏差，在其中的偏差值超过允许的范围之内的情况下，就会产生参数性的故障现象，对参数的电路输出特性造成相当大的影响，最终影响其整体系统的功能发挥。如果在这种情况中，不加以快速的诊断和处理元器件，其中的参数下降就会对整体的结构性能产生严重的影响，因此在对参数性故障技术进行诊断的时候需要对元器件中的微小故障进行排除，从而对元器件进行故障的诊断预测。

3.特征参数的提取技术的实际应用

本文除了对电子电路运行过程中所出现的故障技术进行详细的分析，还要在此基础上，对其特征参数进行提取，本文以信号处理的特征参数为主要的研究对象，在对信号处理的特征参数提取的过程，本文主要对频率分析的提取方式进行了分析，利用电力电子系统的已经测量得到的信号进行获取，但是利用此种方式获取到的故障信号特征值是非常小的，因此就需要利用相关的技术对所测的信号进行处理，以便抽取出有用的故障信息或者找出区别于电路正常工作信号的特征。对信号的处理过程，主要是对信号进行提取、变换、分析、综合等方式，在进行信号的处理方式方面，也可以分为多种方式类别，其中主要有沃尔什变换、基函数、傅里叶变换、小波变换、高阶谱分析等方式，在进行分析的时候，也可以对信号的方差、幅值、频率等特征进行测量提取，从而作为系统中的故障测量值进行试验。在电力电子电路中所出现的故障信息的关键点一般都是具有周期性的，因此在进行提取方面可以利用傅里叶变换将周期性信号从时域转换到频域中进行分析，从而实现对其故障特征值的有效提取。在电力电子电路转换器中，可以分为几种不同的工作模式，需要利用每种不同的开关功率器件来实现对每种工作模式的控制，因此也就产生了不同的输出电压波形的形状，由于其不同的功率器件会导致输出电压波形的不同形状，在电压的频谱方面也就形成不同的状态。在本文中主要利用傅里叶分析的方法实现了对三相变流器主电路的故障特征的提取。在进行操作的过程中，首先需要根据其电压的幅度频谱特征诊断出故障的类别；之后就可以对特征值进行提取，从而判断出发生故障的元器件。在这个过程，如果发生了参数性故障的现象，输出的电压并不会产生太多的变化，因此在频谱变化幅度不大的情况下，就需要对谐波的含量做出定量定性的分析，最终实现对特征值的提取。在对控制电机的三相逆变器的研究中，需要保证在开关管断开的瞬间利用分析开关器件的内部寄生参数和电机绕组之间所产生的开关管源漏极电压的震荡幅值和频率进行分析，并且在经过分析之后还需要对其中的高频分量信号进行提取，最终实现判断功率管老化的状态和程度，如图1所示。从图2中可以充分的看出在老化之后的功率管内部的计生参数发生了严重的变化，最终使得元器件在开关断开的瞬间，功率管源漏极电压谐振峰值以及和震荡频率出现了明显下降的现象。

4.结束语

综上所述，在电力电子系统的可靠性问题的研究过程中需要对其电力电子的故障诊断和预测技术进行不断地研究，电力电子的主功率器件作为核心部件来说，其正常的数值可以对电力电子电路的安全可靠性工作起到一个相当重要的工作，因此在需要将对电力电子系统的故障诊断作为重要的环节进行研究，在研究的过程中，可以充分的利用功率器件失效的原理进行对故障的特征参数进行不断的确定，从而利用科学的检测方式提取功率器件故障参数，最终保证电子电路的可靠稳定。

参考文献

[1]任磊,韦徵,龚春英等.电力电子电路功率器件故障特征参数提取技术综述[J].中国电机工程学报,2015(12).

功率器件篇3

【关键词】室内分布系统 无源器件 功率容量

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2015.03.xxx 中图分类号：TN830.4 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2015）03-

引用格式：李坚. 无源器件功率容量验收检验的方法探讨[J]. 移动通信， 2015，39（3/4）： xx-xx.

Discussion on the Method of Power Capacity Inspection for Passive Devices

LI Jian

（China Mobile Communications Group Sichuan Co.， Ltd.， Chengdu 610041， China）

[Abstract] Through the field test of power capacity for passive devices in indoor distribution system， the test method of power capacity for passive devices in indoor distribution system is introduced in this paper. The factors affecting power capacity test for passive devices are researched. The test method of power capacity for passive devices is summarized to guarantee the quality and reliability of passive devices in actual mobile network applications.

[Key words] indoor distribution system passive devices power capacity

1 引言

室内分布系统中的无源器件通常应用在承受不同功率的场景，放置在分布系统的中端或末端附近的支线中，由于离基站信源点较远，射频传输路径的衰减较大，对于分路器件的承受功率要求并不高，但在基站信源直接接入的端口，器件直接承受较大功率的要求则不同。

IEC中提到：除非特别说明，加载到DUT的测量功率为2×43dBm。显然，这是针对早期的基站而言，针对目前移动通信网共建共享使用室内分布系统的应用场景，我们认为原有的功率容限要求已远远不能适用于中国国情。目前室内分布系统是多系统、多制式、多载波共用的现状。根据目前移动的GSM、TDS、LTE的网络规划原则，GSM每个基站可配置1至12个载波，TDS的最大配置有6个载波工作数量，LTE目前已从20MHz发展到40MHz的带宽范围，可分为5MHz、10MHz、15MHz、20MHz。目前40MHz带宽最大可配置3个载波信号，若每载波功率约为43dBm时，其送至室内分布系统的输入端口的功率就远超出几年以前的最大电平状态，同时由于这些调制信号具有不同的峰均功率比，所对应的最大信号峰均功率比如表1所示：（换算dB=10lgP/1Mw）

现网实际制式的功率输出对器件的影响，不仅要考虑有效值功率的问题，更重要的是还应考虑峰值功率的影响。

由于器件的工艺、结构、耦合节点电阻的耐功率、触点距离、接地隔离电阻等都会影响器件的其它电气性能和承受功率能力。器件的“趋肤效应”、器件的氧化、变形必然导致电压飞狐现象，阻抗变化引起信号的反射以及杂散的增大，所造成的影响除驻波、插入损耗、耦合度和隔离度外，更严重的是噪声对基站的影响。效值功率对器件的影响主要是物理效果，超出允许数值时，会产生器件机械热效应的影响，即驻波比的影响。严重的为打火击穿，峰值功率更容易产生飞狐和打火。由于器件的工艺、毛刺都会产生瞬间打火现象。在使用峰值比较大的基站信号的情况下，往往有效功率尚未进入器件功率容限情况下，器件已进入瞬间脉冲造成的打火引发区间，这种显现直接表现在器件所涉及的工作区域内出现无规则的脉冲噪声，具体如图2所示。这种情况自然会对基站接收产生严重的噪声影响。因此，在器件耐功率程度上，仅考虑有效值功率是不够的。对峰值功率的考虑，不同制式也是不同的。在放大器有效值功率额定情况下，由于信源峰值功率的不同，根据能量守恒原理：峰值增加，有效值就会下降。

图2 不同系统信源有效值功率和峰值功率

因此，无源器件在室内分布系统的应用中（基站信源的输入端）面临着功率容量和互调的极大挑战。

2 现网的状态

近几年，随着业务量的增长，宽带技术的不断发展，用作从基站直接耦合到直放站端口的器件，要支撑现有不断扩大的业务，已不能适应现有业务容量的需求，在多载波大负荷业务工作状态下，无源器件使用一段时间后（几天乃至数月不等），多区域出现基站底噪整体抬升，反向出现RSSI告警或驻波告警，这都是由于器件的原因。当将原有器件进行更换后，其网络影响会在一段时间消失，这一现象在许多地市公司都有所反映。为找出问题原因和产生不正常现象的规律，我们做了进一步的现场调查：当器件安装在基站输出端口后，正常的器件不会出现驻波比变差的情况；当采用有问题的器件，器件安装后的前一段时间内，基站上行接收端口的噪声电平仍能保持-105dBm左右的读数，但经过一段时间的使用后，噪声会突然增大到-95dBm或-85dBm。此时耦合口驻波比恶化到2左右，耦合度降低近5dB。测试结果如图3所示：

图3 测试中噪声示意图

3 实验室验证

为进一步了解大功率输入对器件的影响，对出现问题的器件在检测中做了再次测试，发现输入采用无调制载波信号推到200W时，器件未发现噪声升高和打火现象，但将器件加入4个调制信号的载波信号时，稳定观察5分钟后，器件出现噪声抬高现象，从-110dBm上升到-60dBm乃至更大，具体如图4所示，测试数据与实际网上现象基本一致。

图4 噪声变化示意图

4 验证方法

检测室的验证通常带有一定的局限性，但了解过网络实际应用环境后就可以有针对性地提出方案：

（1）加温测试

实际现网中，通常出现噪声的抬高和飞弧现象，除产品的工艺和材质以及安装焊接的问题外，温度造成的影响是很大的。当一个器件有问题时，这种温度的变化会加剧设备的恶化速度和程度。因此，检测应采用高温状态下测试大功率容限指标。

（2）加调制测试

实际现网中，调制方式的不同其信号的分均比具有很大的差异，对工艺有问题的器件，突发电平会激化设备的尖端放电、打火。因此，在测试时应按无源器件所对应的调制信号加载，进行测试。

（3）测试系统功放的要求

为实现室分网络无源器件的功率容限测试，对用于驱动大功率的放大器需要特定的要求。模拟信源的调制信号不得对有用的传输信号峰值功率的压缩限幅，这就要求其功率不仅可放大有效值功率，同时应能无失真地放大峰值功率。因此，确认放大器是否能够满足测试要求，通常应采用调制信号的分均比测试，观察其随着输出功率的增加分均比下降的情况。

5 结束语

为保证无源器件在移动网络实际应用的质量和可靠性，功率容量测试是把控质量的关键环节，测试方法的制定应从网络实际应用的角度上考虑，建议对基站输出端所用的无源器件，包括天馈系统，都应考虑大功率容限的测试，应将承受功率指标作为重要参数进行检测。

参考文献：

[1] 胡先志. 光纤通信有/无源器件工作原理及其工程应用[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2011.

[2] 中华人民共和国信息产业部. 纤维光学互连器件和无源器件基本试验和测量程序[S]. 2001.

[3] 刘孟华，肖彬光. 有源无源器件制造[M]. 武汉： 华中科技大学出版社， 2013.

[4] 杜邓宝，阳辉，宋健. 无源互调失真的数字化测量[J]. 电子测量与仪器学报， 2009（S1）.

[5] 张文强，年夫顺. 无源互调测试系统的组建与分析[J]. 国外电子测量技术， 2012（5）.

功率器件篇4

 

作为一种新型电子和光电子器件半导体材料，氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)一起，被认为是继第1代锗(Ge)、硅(Si)半导体材料、第2代砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)化合物半导体材料之后的所谓第3代半导体材料，其研究与应用是目前全球半导体产业化研究的前沿和热点之一。它具有带隙宽(而且是直接带隙)、键强度大、电子迁移率高、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等优良性质和强的抗辐照能力，在光电子、高频微波器件以及电力电子器件和信息产业应用方面有着广阔的前景。

 

GaN最初作为一种光电器件材料引起了工业界的关注和期待，其带隙宽度以及直接带隙特征，使之成为光电照明行业期待已久的短波长发光器件材料，用来填补蓝绿光波段的空白。后来发现其三元合金系列还可以通过改变组分配比，可更加灵活地连续改变带隙宽度和工作波长，使之成为更加理想的工程材料。中村修二等人在这方面的突破，早已成为半导体领域的传奇故事[1]。随着中村修二、赤崎勇、天野浩几位研究者获得2014年的诺贝尔物理学奖，其影响力已经超出了半导体工业界。除了普通的LED照明，GaN光电器件在高密度光盘的信息存取、全光显示、激光打印机等领域也有着很大的应用市场。而在这些广为人知的产业领域之外，GaN紫外探测器在火焰探测、导弹预警、生物医药以及特殊通讯等方面有重要的潜在应用，与SiC器件形成竞争关系[2]，但是由于外延质量的制约，目前商业应用只限于普通的光电PN管，高端的雪崩光电二极管还未超出实验室研发阶段。本文中，笔者关注的是GaN在微波射频领域及功率电子器件领域中的市场前景。

 

二、GaN在微波射频领域的应用

 

GaN作为微波射频器件的潜力来源于其带隙宽，键强度大、电子迁移率高的特征[3]。这也是其“第3代半导体”的名称由来(这里的代际划分基本根据是带隙宽度)。在微波射频领域，一般来说，功率表达式为电流和电压的乘积，即P=IU。处理同样的功率，人们总是希望提高工作电压而减少电流，因为电流是损耗(铜损)和发热的来源，不仅损失能量，而且降低器件和系统的可靠性。GaN高于硅和砷化镓材料的带隙宽度和键能，决定了它更高的工作电压。同时它还具有高的强场漂移速度，以及在高电子迁移率晶体管(HEMT)中二维电子气的面密度。适合在更高的工作电压和频率，以及更大的电流密度下工作，减少损耗和尺寸，提高性能、效率和可靠性。

 

GaN器件的技术发展和商业应用主要的限制因素是材料质量，这一点在光电和微波领域情况类似。一直以来，由于大块GaN衬底体单晶的制备比较困难，所以GaN基LED以及微波器件都是异质外延器件，也就是在非GaN衬底上设法生长一层GaN单晶薄膜，再以此为基础以半导体前道工艺做成器件。常用的衬底材料有硅、蓝宝石和SiC。其中SiC与GaN的晶格匹配程度最好，生长的外延质量最高，并且SiC材料的导热性也最好，因此高端的LED和微波器件都以SiC为衬底。但是SiC衬底的成本很高，因此限制了这类器件在一些民用领域的广泛应用。在一些需要更高亮度光源的光电器件中，仍然希望能够使用GaN衬底的同质外延。这方面也有一些研发工作。但是目前并无成熟技术。目前在廉价的硅衬底上设法生长高质量(低缺陷密度)的GaN外延(GaN-onSi)，是GaN各个应用市场最为期待的技术。例如2015年3月GO Scale Capital金沙江创业投资与橡树投资伙伴联合组成的基金收购飞利浦旗下从事汽车和发光二极管原件业务的公司Lumileds的多数股权的协议被美国政府监管部门外国投资委员会否决，原因是被认为与相关敏感技术有关。

 

作为微波器件，SiC基GaN(GaNon-SiC)器件首先被应用于追求性能，对成本不敏感的军事领域，具体的器件类型是HEMT功放，比如“爱国者”的升级版陆基雷达就包含GaN微波器件。根据相关市场调查报告，2015年全球GaN微波器件的市场规模超过2亿美元。其中大部分仍然是军事领域中使用的SiC衬底上制作的HEMT功放。以著名的美国科锐(CREE)公司为例，其微波和功率器件部门(已经独立出来，新公司名为Wolfspeed)的主要产品为SiC衬底上的GaN微波器件，以及SiC同质外延上制作的功率器件。近年来这一部门的营业额大都在9000万美元左右，利润在40%以上[4]。一般认为其中大部分营收以及绝大部分利润来源于为高端军事应用服务的 GaN微波器件。

 

由于我国在第2代半导体砷化镓微波器件技术方面，长期落后于世界先进水平，严重拖累军事装备水平，因此在GaN微波器件方面向相关研究机构(中国电子科技集团公司第13研究所，第55研究所等)投入大量资金，期望实现弯道超车。在这一新兴技术领域提供了技术积累和人才储备，期望能够为今后民用市场的发展提供良好基础。GaN微波器件所用的半绝缘型高阻SiC衬底，需要控制其非故意掺杂杂质浓度，技术曾长期被CREE公司垄断;尽管后来II-IV公司以掺钒补偿为基础专利开发出新的半绝缘型衬底与CREE开展竞争，但是这一产品的市场价格仍然比已经以昂贵著称的普通垂直结构SiC功率器件的低阻衬底还要高数倍。因此在对成本敏感的民用市场，主要应用硅基GaN材料。其主要器件仍然是HEMT功放，在通讯基站等应用市场中代替硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)，活跃的公司以从前最初的NITRONEX和现在MACOM等为代表。这一领域具有注重可靠性，新系统研发成本高，技术代际更新慢的特点，同时一些提议的行业标准也倾向低成本的硅器件。

 

尽管如此，近年来，硅基GaNHEMT与砷化镓(GaAs)器件一起仍然在不断稳定蚕食硅LDMOS的市场份额。显示优异的器件性能仍然是决定市场前景的主要因素。与下面谈到的功率器件相比，硅基GaN外延技术挑战相对较小，在成品率、稳定性和技术来源的广泛程度上，都要优越一些。硅器件前道工艺的技术壁垒不高;设备要求方面，一般旧的4寸、6寸硅生产线就可以胜任，基本不需要改造，因此资金壁垒也不高。在特定应用(基站、社区、点对点通讯)中，在硅基GaN器件的价格水平范围内，单是器件的成本压力也可以承受。只是由于前述原因，增长速度有限，据估计目前的市场规模还远未达到1亿美元。

 

三、GaN在功率电子领域的应用

 

与微波射频领域相比，GaN在功率器件(也就是电力电子)产业的应用前景更加诱人。历史上，电力电子器件在我国工业布局和规划中一直处于一个不清晰的尴尬定位之上。其与市场庞大且发展迅速的信息电子行业相比，电力电子被归入发展相对缓慢的“传统”门类，一些相关产品(比如整流二极管)的工业标准还是由工信部制订。实际上，电力电子不但在材料、技术、设备、生产管理方面与信息电子类似，而且同样发展迅速。我国在功率器件技术发展上，面临的困难不如集成电路产业那样严重(设备封锁等)，但是在很多方面(比如IGBT器件)落后于世界先进水平的程度有过之而无不及，不合理的产业分类布局是原因之一。就GaN器件功率器件来说，其与信息电子的联系就更为紧密，表现在下面几个方面：

 

①目标市场偏向小功率等级，强调高频、高效、小型化，主要应用通讯、个人信息设备的移动电源和小型电源等，属于电子信息产业范围。

 

②同样由于前面提到的材料质量问题，目前GaN器件功率器件的功率与电压等级不高，接近微波功率器件水平，而且工作频率也高于目前对应的硅器件(MOSFET)，因此器件结构和设计考量与微波器件都有较高的相似性;工艺设备更是相差无几。

 

③由于GaN器件功率器件都是硅基的水平结构器件，一个特有的优势就是与其他非功率器件(电源管理)的整合集成。这使得它与其他硅电子信息器件更加密不可分。

 

功率电子器件的全球市场份额，常用的估计数字是在150亿美元(不含潜在的新能源汽车功率电子市场)上下，区间较大。第3代半导体(GaN和SiC)器件可望替代其中至少1/3的高端市场份额。作为在散热较差的硅基底上的水平结构功率器件，GaN器件被认为更适合小功率，高频应用;而材料相对成熟且昂贵的SiC器件，属于同质外延垂直结构，散热好，同时高频性能稍逊，更适合高功率高压功率等级的应用。曾经认为600V和更低的电压等级是GaN的领域，而1 200V及以上是SiC器件的地盘。中间有一个相互竞争的区间。由于明显的成本结构，以及整合集成方面潜力优势，硅基GaN产品一度吸引了更多的研发热情和资源，然而市场是最终的裁判者。在实际上，到目前为止，似乎二者在材料质量方面的进展步伐都不如预期。SiC材料至今未能达期望的电网输电等高功率等级应用要求的水平，而是先一步在中等功率等级产品材料水平上成熟之后，重点转向这一领域的商业化(比如，4寸向6寸的转化)。商业竞争的结果是价格的不断降低，在600V这个对应市电的常用产品电压级别已经占据了稳固优势。而且成本进一步降低的潜力和空间都很透明，步幅快而且稳定。在另一方面，相比于微波射频领域，功率器件对硅基GaN材料的质量要求更高，挑战更大。最初的产品也是从二极管开始，有不同的结构设计思路。但是由于材料质量以及器件结构特点带来的可靠性问题的影响，一直未能成熟。现在由于SiC器件不断成熟和价格的降低，GaN功率二极管已经没有市场前景，市场上领先的相关公司大都放弃了研发项目。

 

与二极管相比，硅基GaNHEMT功放更有希望，它的主要市场目标是依靠高频性能取代现在的硅MOSFET。这一领域并没有SiC器件的竞争。相对二极管来说，GaNHEMT面临的电环境不那么严酷。而且其目标市场领域(个人电子产品)对可靠性的要求不如工业应用市场，目前的器件水平已经可以适应。而且由于其市场特征，可以期望通过市场营销以及消费者体验认可(紧凑、小巧)推广产品，与SiC器件面临的完全以成本与可靠性为导向的理性冷血工业客户市场不同。目前活跃在这一领域的公司有EPC、GaN Systems、以及Panasonic Quovo等。另外GaN的高频特征使之成为一些重要的潜在领域的首要甚至是必要选择，例如无线充电系统、植入系统、成像、和人造器官等。由于这个原因，尽管目前硅基GaN功率器件的全球市场规模估计(最低值1 000万美元)远远低于SiC器件的市场规模(1.4亿美元)，相关市场预测机构(Yole，IMS)仍然给出了远高于SiC器件的年度增长率(GaN80%，SiC38%)。到2020年将形成6亿～10亿美元的市场规模。需要指出的是这一数字是基于新能源汽车将大量采用硅基GaN器件的假定。尽管目前对于2种技术路线以及相关标准的支持者势均力敌，由于前述SiC器件商业化进展，GaN器件在这一领域的前景并不明朗。

 

除了众所周知的“电流崩塌”等可靠性问题，目前GaN功率器件市场扩张的一个明显的技术障碍是驱动。HEMT器件结构本身适合作为一个所谓的常开型器件，就是在失去栅极电压控制的情况下，源极和漏极是导通的。这在功率器件应用中被认为是不利的特征，也是影响SiC-JFET一直未能得到广泛应用的原因。系统应用者宁肯使用可靠性尚不成熟的SiC-MOSFET器件，也不情愿开发适用于常开器件的驱动型式，这是市场的现实。为常开型器件设计的所谓硅级联(Cascade)驱动，在应用中就带来一些限制，首先就是这个硅级联金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)本身需要具有与宽禁带器件同样的温度指标。在某些应用中还有其他系统层面的问题。需要在系统应用和设计层面积累认识和经验。HEMT也可以在结构设计上做一些调整，成为常关型器件。但是这会增加材料和工艺的复杂性和难度，在其他电性指标，以及良品率、可靠性上做出相应的牺牲。这一点也与SiCJFET类似。目前一般认为连常开型GaN-HEMT器件的稳定良品率都是很大挑战。常关型器件还只能从相对较低的电压(比如200V左右)等级开始，随着技术的成熟和改进逐渐提高。二者技术的成熟都有赖于在某些应用领域产品商业化的初步成功。

 

尽管与硅基GaN微波器件一样，硅基GaN功率器件前道对设备投入的需求也不高，大致可以利用完全折旧的废弃硅线。比如为GaN Systems代工的某著名IC代工服务商就是如此。但是如此有限的市场规模意味目前市场上并没有能够盈利的公司或者部门，以后几年能够在正常财务意义上生存的公司也不会很多。过去的几年中，领域内富士通(Transphorm)、Velox(Power Integration)等起步公司的不断融资或者被并购，反映了市场和财务上的严峻挑战和未来市场机会并存的局势。目前行业的突出瓶颈与风险，是外延材料技术掌握在极少数几家公司手里，其成品率、稳定性，以及相关的成本和供应都不为业界所知。这也是很多器件和应用开发环节技术人员和开发项目及投资决策者的共同疑虑。希望在较短时间内，硅基GaN的外延工艺的市场透明性和可得性会有较大的改善。此外，产业链结构的清晰化，是实质性投资规划重要的参考因素。

功率器件篇5

关键词:节能;减排;功率半导体

Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s

ZHANG Bo

(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,

University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)

Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.

Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device

1引言

功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。

功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。

随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。

目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。

2需求分析

消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。

根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。

在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。

总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。

3功率半导体技术发展趋势

四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。

从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。

在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。

1) 功率半导体(分立)器件

功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。

在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。

功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。

2) 功率集成电路(PIC)

功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。

3)功率系统集成

功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。

4我国功率半导体发展现状、

问题及发展建议

在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。

由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。

笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。

功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。

设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。

我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。

5结束语

总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。

我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。

功率器件篇6

三款多媒体音箱的功耗测

30年前那场有名的大讨论告诉我们，实践是检验真理的唯一标准！即便是到了今天，它对于G e e k也同样适用―为了检验“音量越大，功耗越高”，我们将用事实说话，让海韵Power Angle在0%、50%、70%与100%音量条件下，对纳伟仕S A-308、轻骑兵X20与漫步者R1900TⅢ这三款多媒体音箱进行了实际功耗的测量。在测量过程，我们采用A X-煲箱宝宝这款软件生成1000H z的正弦波，由创新X-F i声卡在最大音量条件下输出。然后将三款多媒体音箱的音量分别调节到0%、50%、70%与100%，用Power Angle查看它们在这4个音量条件下的实际功耗，以此来检验“音量越大，功耗越高”。

P.S.

为什么选择这3款多媒体音箱？

这三款多媒体音箱可不是《Geek》头脑发热随意选择的，而是根据市场上多媒体音箱的实际情况，认真选出的最具有代表性的多媒体音箱。其中，S A-308售价不足50元，它与同类型的多媒体音箱被市场上众多D I Y商家称之为“木质音箱”，代表了市场上最低端的多媒体音箱。而X20则代表了专为笔记本电脑、M P3/M P4播放器设计的便携式多媒体音箱，近几年随着移动产品在市场上的升温，有着不俗的销量。最后，已经更新到第三代、市场上的中流砥柱―R1900TⅢ更是代表了市场上的中高端多媒体音箱。

从海韵Power Angle对三款多媒体音箱的测量数据来看，我们可以轻易发现以下两种音量与功耗的趋势：

对于该趋势，S A-308与R1900TⅢ的测量数据就是典型的例子。在50%音量条件下，它们的功耗分别为3W与13W，与在0%音量条件下的3W与11W相比，功耗增加并不大。而在70%与100%音量条件下，它们的功耗增加却相当明显―S A-308由7W增加到了8W，R1900TⅢ则由21W增加到了惊人的27W。从以上的分析中，我们发现这两款多媒体音箱的确如同许多朋友所讲的―音量越大，功耗越高。

对于另一款多媒体音箱X20的测量数据，我们可以看到它在50%音量条件下，功率由0%音量条件下的2W增加到了4W；而50%、100%音量条件下，这款多媒体音箱的功耗完全没有变化，始终保持在5W。从这样的测量数据中，我们如将0%～50%音量条件下增加2W的功耗变化忽略不计，那么X20音量就可以代表一种全新的趋势――音量变大，功耗相同。

经过对以上两种趋势的分析，传统的观点已经被无情的事实摧毁。多媒体音箱并不一定只是音量越大，功耗越大，还可能出现音量变大，功耗相同的情况。于是，新的问题就随之而来了―什么原因造成了两种音量与功耗的趋势？

造成两种不同趋势的原因

一般情况下，我们调节多媒体音箱的音量时，功耗的确会随着音量的增大而增加，但实际情况比想象的要复杂得多―实际功耗不仅与音量的大小有关，而且还与多媒体音箱内置功率放大器的效率有关。我们常说结构决定性能，既然要考查多媒体音箱内置功率放大器的效率，就必须从功率放大器的结构分析开始―它的结构不仅会影响多媒体音箱的音质，而且还对多媒体音箱的功耗起决定性的作用。

根据功率放大器中晶体管的工作状态不同，功率放大器通常被分为5类：A类、B类、A B类、C类与D类功率放大器。其中，A类（甲类）、B类（乙类）和A B类（甲乙类）功率放大器都工作在放大状态，而D类功率放大器工作在开关状态。除此之外，由于C类功率放大器不能直接放大模拟音频信号，故不在本文涉及的范畴内。

A类功率放大器

A类功率放大器结构最为简单，具有输入－～输出线性好等优势。不过，由于A类功率放大器偏置电压较高，晶体管始终处于放大状态，静态电流大，静态损耗高。简单点讲，哪怕你将多媒体音箱的音量调至最小，它也会消耗掉不少的电能。理论上，A类功率放大器的效率最大只有50%，而实际产品效率只有25%左右，大半的电能都变成了热能。A类功率放大器最明显的特点是散热片面积很大，只有少数疯狂的桌面Hi-Fi发烧友才会去购买，所以这类产品在多媒体音箱市场上并不多见。

B类功率放大器

B类功率放大器采用推挽式互补对称结构，通过两只晶体管轮流导通，分别放大模拟音频信号的正负两个部分。采用这种结构的功率放大器不仅可以消除静态损耗，而且能将用电效率大幅度提高。但是，由于晶体管存在死区电压，使得B类功率放大器存在严重的交越失真，音量较小时信噪比很低或根本听不到声音。因此，这种类型的功率放大器在多媒体音箱中极少应用。

AB类功率放大器

作为B类功率放大器的改进方案，AB类功率放大器通过增加少量元件等措施给两只晶体管提供一定偏置电压的方法，消除了交越失真。因此，AB类功率放大器的线性度接近A类功率放大器，在保证较好音质的同时，极大地降低了功耗。因此，AB类功率放大器在多媒体音箱中应用得最为广泛。

D类功率放大器

功率器件篇7

关键词： GaN； 功率匹配； 高效率功率放大器； 通信系统

中图分类号： TN722.75?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0083?03

Development of high efficiency power?amplifier based on new generation semiconductor GaN

GUO Dong， LI Liang， DOU Zhi?tong， LI Chao

（503th Institute of China Academy of Space Technology， Beijing 100086， China）

Abstract： In recent years， the requirement of power consumption is getting lower， and the space for the power amplifier getting smaller in wireless communication， radar and other fields， which requires the power amplifier to have higher efficiency and higher operating junction temperature. The new generation wide band gap semiconductor material GaN is able to meet the requirements. An S?band power amplifier based on CREE company′s GaN?based power amplifier tube CGH40045 was designed. In the design， power matching， heat dissipation and spurious suppression were considered. Final testing results show that within the bandwidth of 300 MHz， power gain ≥50 dB， saturated output power ≥46 dBm， efficiency ≥50%. The efficiency has been improved more significantly， compared with the previous GaAs power amplifier with 30% efficiency. In future communication systems， the power amplifiers based on the new generation semiconductor materials GaN have a very good application prospect.

Keywords： GaN； power matching； high efficiency power?amplifier； communication system

0 引 言

当前，在射频和微波频段下常用的功率放大器多为基于GaAs材料的HFET和PHEMT器件，但是由于GaAs材料在电性能和热性能上的局限，已经越来越不能满足未来系统的需求。作为下一代微波功率器件的材料，GaN材料异质结构击穿电压高，而且能够产生高浓度的二维电子气（2DEG），并具有很高的电子迁移率，因此能够得到很高的功率输出密度，同时AlGaN/GaN异质结器件能够承受很高的结温，可以很好地满足大功率、高效率、高温等性能要求[1]，在卫星通信、雷达等军事领域有着广泛的应用前景，是当前半导体技术重要的发展前沿之一。

近几年以GaN为基础的微波功率器件的应用取得了很大的进步，如美国的CREE公司和TriQuint公司、日本的东芝公司以及富士通等公司，不断地推出GaN大功率器件。其中TriQuint公司在2008年便推出了Ku频段100 W的GaN芯片[2]，使GaN器件进入了实用阶段。而美国军方也一直在大力扶持GaN器件的发展，目标是将其军事和空间应用的电子器件转向GaN器件。在国内，主要是中电13所和中电55所对GaN器件进行了研制[3?5]，其中中电13所的GaN器件从S波段一直覆盖到Ka波段，产品逐步达到了工程应用的要求。

本文针对某通信系统对功率放大器低功耗、高效率的要求，基于GaN功放管研制了一款S波段40 W饱和输出的功率放大器，主要进行了功率匹配、热设计考虑、杂散抑制等设计，最终测试结果显示在工作带宽内，工作效率≥50%，明显高于该系统之前采用的工作效率为30%的GaAs功率放大器。

1 GaN功率放大器设计方案

功率放大器位于系统的发射机中，将上变频板送入的功率进行放大和滤波，发送到发射天线。该通信系统之前采用的为GaAs功率放大器，随着系统对功耗要求的越来越苛刻，必须采用更高效率的功率放大器，从而使整个系统升级换代。

系统对功率放大器的功能需求有：工作于S频段，带宽为300 MHz；有大功率、小功率、关断三种工作状态；对输入的信号进行功率放大、滤波等处理。

具体的性能要求有：在300 MHz的带宽内功率增益≥50 dB；饱和输出功率≥46 dBm；工作效率≥50%；具有开路和短路保护的功能，具有小功率状态（输出功率为16～25 dBm）工作功能；具有电源关断功能，所有电源可同时关断和开启；在工作带宽外100 MHz处的杂散电平≤-85 dBm/10 MHz。功率放大器的结构尺寸为100 mm×40 mm×25 mm，电源以及控制信号共用一个微矩形接插件，射频信号采用常见的SMA?K形式。环境温度为-45～65 ℃。

根据指标要求，进行功率放大器方案的设计。至少需要三级放大器来满足功率增益≥50 dB的要求，并且末级和驱动级选用高效率的GaN器件，来满足高功率和高效率的要求；在末级功放管输出端接隔离器，隔离度≥25 dB，大大降低负载牵引对末级功放的影响，具有开路和短路保护的功能[6]；设计电源控制电路，分别控制末级功放电源、其余器件电源，从而实现大功率状态、小功率状态、关断状态间的切换；对于带外100 MHz处的杂散电平≤-85 dBm/10 MHz的指标，在驱动级和末级放大器间加入一个低插损的腔体滤波器，使杂散电平满足指标要求。电路原理框图如图1所示。

图1 功率放大器电路原理框图

对于功率状态控制电路，使用两路TTL电平分别控制PMOS管电源开关，从而分别控制末级GaN功率管的漏极电压、其余器件的供电电压。当控制电压为高电平时PMOS管打开，这样就可以通过关闭末级功放管的漏极电压来实现小功率状态，同时关闭其余器件的供电电压时为关断状态，而两路TTL电平都为高时则为大功率状态。在功率控制的同时还要注意GaN功率管需要先加栅极负压，后加漏极的正压。末级功放管电源控制电路原理框图如图2所示。

对于带外100 MHz处的杂散电平≤-85 dBm/10 MHz的指标，需计算腔体滤波器在带外100 MHz处的抑制指标。在带外100 MHz处无组合频率信号输入，白噪声的功率为-104 dBm/10 MHz，输入端到驱动级的增益为40 dB，噪声系数为5 dB，则驱动级输出的白噪声功率约为-59 dBm/10 MHz，此时后面接的腔体滤波器抑制为45 dB以上时，可将白噪声的功率降低到最小的噪底功率-104 dBm/10 MHz，后面末级功放和隔离器的总增益为10 dB，噪声系数为4 dB，则最终在100 MHz处的杂散功率为-90 dBm/10 MHz，满足指标要求。在具体设计时腔体滤波器在带外100 MHz处的抑制设计为50 dB，从而留有余量[7]。

图2 末级功放管电源控制原理框图

2 GaN功率放大器仿真验证

进行完方案设计后，要对关键性能进行仿真验证，保证设计的正确性和准确性。主要包括：末级功放管的匹配仿真、腔体滤波器性能仿真、热仿真。

一般来讲GaN功放管可工作带宽很宽，如CGH40045的工作带宽可达DC～6 GHz，需要在工作频带内进行匹配设计，从而得到较高的功率、增益以及效率。通常使用谐波平衡仿真来得到大信号状态下功放管的仿真结果。仿真图如图3所示，经过仿真可得，末级功放的饱和功率为47.5 dBm，功率增益为10.5 dB，工作效率≥55%。

图3 末级功放管仿真电路图

对于腔体滤波器，除了第1节中计算得到的在带外100 MHz处的抑制设计为50 dB外，其带内的插损还要足够小，从而降低对驱动级功放输出功率的要求，提高整体的效率；此外在带内的驻波也要足够好，使级联驱动级功放和末级功放时不引起自激，并且功率起伏小。此外限制腔体滤波器设计的为尺寸，宽度约为30 mm。腔体滤波器的仿真结果如图4所示。插损为1 dB左右，带内回波损耗≤-15 dB，在带外100 MHz处的抑制≥57 dB。

图4 腔体滤波器仿真曲线

为了尽量减小GaN功放管到屏蔽盒间的热阻，将功放管烧结在屏蔽盒上。对整个功率放大器进行热仿真，如图5所示。图5的环境温度设置为105 ℃，仿真得到末级功放的最高壳温为124 ℃，而末级功放管的热耗为45 W，热阻为1.9 ℃/W，则其结温为210 ℃，相比于其最高结温225 ℃留有余量，保证了长期工作的可靠性。

图5 热仿真结果

3 GaN功率放大器的测试结果

最终功率放大器的实物如图6所示。对功率放大器进行测试，输出功率、工作效率与输入功率的关系见表1。

图6 功率放大器实物

可见输出功率≥46.5 dBm；工作效率≥50%。其他指标测试结果为：在小功率状态输出功率为18～23 dBm，具备开路和短路的保护功能，功率状态控制电路功能正常；在工作带宽外100 MHz处的杂散电平≤-87 dBm/10 MHz，均满足指标要求。

在该系统的前一代设备里使用的是GaAs功率放大器，其工作效率为30%，在使用GaN功率放大器作为末级功放后效率提高至50%，大大地降低了系统的功耗，提高了系统的效率，降低了散热的压力。

表1 功率放大器测试结果

[输入功率 /dBm＼&输出功率 /dBm＼&效率 /%＼&-4＼&46.6＼&50.2＼&-3＼&46.5＼&50.4＼&-2＼&46.7＼&50.5＼&-1＼&46.7＼&50.5＼&0＼&46.8＼&50.6＼&1＼&46.8＼&50.6＼&]

4 结 论

针对通信系统对低功耗越来越苛刻的要求，研制了一款基于GaN功放管的S波段功率放大器，带宽为300 MHz，饱和输出功率≥46 dBm，工作效率≥50%，大大提高了系统的效率，满足了系统低功耗的要求。GaN功放管的带宽宽，输出功率高，可在更高的温度下工作，并且效率高，可大大降低系统的功耗，在通信系统中有着非常好的应用前景，将会逐步替代GaAs功率管而得到广泛的应用。

参考文献

[1] TOMPSON R P， PRUNTY R， KAPER V， et al. Performance of the AlGaN HEMT structure with a gate extension [J]. IEEE Transactions on Electron Devices， 2001， 51（2）： 292?295.

[2] WU Y F， SAXLER A， Moore M， et al. 30W/mm GaN HEMTs by field plate optimization [J]. IEEE Electron Device Letters， 2004， 25（3）： 117?119.

[3] 王帅，陈堂胜，张斌，等.7.5～9.5 GHz AlGaN/GaN HEMT内匹配微波功率管[J].火控雷达技术，2007，27（2）：159?162.

[4] 方建洪，倪峰，冯皓.X波段50 W GaN功放管的应用研究[J].火控雷达技术，2010，30（1）：70?73.

[5] 孙春妹，钟世昌，陈堂胜，等.Ku波段20 W AlGaN/GaN功放管内匹配技术要求[J].电子与封装，2010，39（1）：23?25.

功率器件篇8

1．1国际环境

据美国研究部门保守估计，到2030年，现有的军事装备系统中的80%仍然使用微波大功率真空器件。美国国防部电子器件咨询小组的研究报告《微波管：国家安全的忧虑》中曾指出：半导体器件已接近其材料的极限，而真空电子器件频率和功率增长的潜力确实显而易见。其2002年解密的“射频真空电子器件发展战略”报告认为：大功率电真空器件在未来30～50a中仍然是军事电子装备的核心器件。

1.2国内环境

我国是全球最大的电子信息产品制造基地。公司微波电真空器件产业具有行波管、磁控管、速调管、前向波管、充气微波开关管等科研生产线。产品广泛应用于雷达、导弹、电子对抗、情报侦察、空间测控等领域，用户遍及海、陆、空、天，在一大批国家重大项目中发挥了重要作用，为我国国防重点工程和重要军事电子武器系统建设做出了巨大贡献。

1.3产业政策

按照国家自主可控发展目标，真空电子器件作为关键电子元器件，得到了国家和地方政府高度重视，相关项目已被列入“核高基”和其它多个专项。公司真空电子器件产业的新品科研和技术改造项目已多批次获得政府财政资金支持。

2发展战略

与国外及国内同行业研究所相比，笔者公司在宽带连续波行波管、机载大功率螺旋线行波管、高功率多注速调管和回旋管研制等方面具有明显差距。公司全面贯彻发展规划纲要，坚持转型发展、创新发展和跨越发展不动摇，突出发展真空电子器件核心产业。以科技创新为驱动，进一步突破关键技术、关键工艺和关键环节，抢占价值链最高端。进一步优化真空电子器件产品结构，实现产品升级；以产业政策和市场需求为导向，积极运作大项目、大市场，整合社会资源，突出顶层设计和系统集成，迅速做大做强产业。将公司建设成为中国真空电子器件领域技术领先、保障有力的主供应商企业。

3发展方向

未来战争的特点和目的，是实现对敌方进行快速、精确和隐蔽的打击，同时，配合强大的电磁干扰，使对方的各种探测手段失效。为适应高技术条件下未来战争的要求，迫切需要雷达探测技术不断发展，迫切需要新体制、多用途雷达发射机和关键电子元器件的发展和创新。笔者公司未来的微波真空电子器件技术的发展方向，主要集中在以下几个方面：高功率、高效率、高频率、超宽带、小型化、长脉宽、高可靠性、长寿命，以满足不同新型武器装备对器件的要求，如远距离雷达、通讯系统、卫星、制导系统的要求等。

3.1高功率

未来战争中，基于超大规模集成电路而发展起来的军事专用集成系统获得了广泛应用，使得通信、雷达、导航以及各种指挥、控制、识别、定位系统实现了灵巧化与智能化。军事电子系统对强电磁脉冲（雷电脉冲，核电脉冲和高功率微波）的防护能力大大降低。高功率微波器件的出现与发展，使雷达干扰机作战性能提升。高功率微波武器技术，是对装备发展带来重大影响的新兴技术之一，包括微波炸弹、主动拒止武器系统、电磁脉冲武器等。新的战争要求装备能进一步提高炮火防范能力、舰艇防御巡航导弹的能力、飞机的自我防卫能力、对敌方防空系统的压制能力、安全能力、防范核扩散的能力，以及指挥控制系统的破坏能力等。因此，发展短脉冲、高峰值功率真空管技术不仅可以提高雷达的性能，还能应用到高能电磁和HPM武器中。目前，国际上微波真空电子器件输出功率的提升速度发展迅猛。行波管最大平均功率早已超过数十千瓦；多注速调管的平均功率达到兆瓦级；回旋行波管的平均功率达到数十千瓦、带宽达到8GHz；分布作用速调管工作频率超过300GHz；现在正加强超大功率、太赫兹和集成真空器件的发展。随着雷达技术和新概念武器技术的发展，信息与作战综合电子系统已成为未来军用电子系统的重要发展方向之一，如雷达与电子对抗、雷达与微波武器、雷达与成像、雷达与制导等综合电子系统，未来的雷达将向多用途方向发展。高功率微波武器与雷达探测共用系统将成为关注的热点。笔者公司机载行波管平均功率已达6kW，需进一步提高功率量级。

3.2高效率

空间行波管是高效率典型代表产品，其特点是高可靠性、长寿命和高效率。随着多种不同功能卫星的高速发展，对空间行波管的数量和性能提出了越来越高的需求。在高频的Ku波段、Ka波段，甚至V波段，当功率量级上升到一定量级时，必须使用行波管放大器。随着多媒体应用的发展，对频率更高的Ka等频段新型卫星宽带通信系统的需求也越来越大，空间行波管必将向着Ka波段甚至更高频段发展，如何进一步提高其效率和小型化也是重要方向。笔者公司空间行波管效率已达60%以上；机载宽带行波管效率已达40%以上。

3．3高频率

目前，国内不同功率量级和不同工作模式状态下的高频率毫米波器件，已得到快速发展。高平均功率毫米波雷达作用距离远、方向性强、分辨率高、抗干扰与抗杂波能力强。可用于深空探测、弹道导弹防御系统中的预警、空间目标监视、低轨空间目标编目、精确定轨、跟踪近地卫星、修正卫星编目数据等，应用前景广阔。大功率毫米波雷达在航空、航天技术方面应用前景广阔，如深空探测、卫星编目、空间碎片数据收集、空间目标识别和成像、反导系统、载人航天的安全控制等方面，毫米波雷达具有不可替代的作用。这一切，都离不开高功率毫米波电真空器件的有力保障。笔者公司已研制出Ka波段脉冲行波管、K/Ka波段宽带连续波行波管和W波段20W连续波行波管，并已在开展220GHz器件的前沿基础研究工作。开发高功率、造价低、重量轻、体积小、实用型的真空电子学太赫兹器件是今后的发展趋势。

3.4超宽带

随着新型武器装备的进一步发展，武器装备的一体化和多功能设计显得尤为重要，舰载一体化、机载一体化雷达、通讯和电子战系统需要宽带大功率器件，需要用尽量少的器件覆盖更宽频带的频率范围。车载和地面相控阵雷达及其他武器装备都为MPM的发展提出了需求。笔者公司已具备超宽带器件批产能力（如2～6GHz、6～18GHz、18～40GHz），正进一步朝着更高倍频程方向发展。

3.5小型化和微波功率模块（MPM）小型化行波管是行波管发展的一个重要趋势，它不仅可以用于雷达、卫星、武器装备等，以达到装备小型化的目的，也可用于阵列天线和微波功率模块等，与固态微波放大器相比，具有更好的性能。微波功率模块是小型化行波管的一个重要应用领域。研制宽带、连续波同时可脉冲工作的微波功率模块，进行工程应用，可满足无人机SAR和机载指令发射机及相控阵雷达的需求。笔者公司几年前已开始与国内整机厂家合作研制MPM功率模块。下一步的发展方向是进一步提升效率，加大功率；扩展频带宽度并向更高频段发展。

3.6长脉宽

随着我国载人航天活动和空间技术的快速发展，需要关注的目标从中低轨卫星向小目标、同步轨道目标甚至月球轨道目标发展。深空探测雷达需求大功率超长脉冲发射机。需研制脉冲宽度1ms的超大功率发射机，满足新型深空探测雷达的需求。笔者公司正在进行脉冲宽度大于1ms超长脉宽新器件的研制。

3.7高可靠、长寿命

目前，国家对微波电真空器件在可靠性研究、关键工艺试验方面投资力度在逐步加大。公司通过强化可靠性设计、充分考虑设计裕量，强化可靠性过程管理，对阴极的制造、原材料的采购和工艺技术攻关等进行严格控制，提高了产品的可靠性，延长了产品的寿命。笔者公司已研制的空间行波管寿命能满足12a的寿命要求；大功率栅控耦合腔脉冲行波管能满足24h连续工作要求；大功率栅控宽带螺旋线行波管能满足2000h长寿命。近两年，笔者公司同时承担了国家数项可靠性质量工程研究项目。以上先进的长寿命制造技术可拓展应用于公司其他产品。

4结语

功率器件篇9

关键词：双侧向；测井仪；恒功率；单片机；数据处理；实际应用

中图分类号：P63 文献标识码：A

一、概述

随着煤田勘探的不断深入，煤田测井越来越需要可靠性、重复性、稳定性和一致性好、测井曲线优良、价格合理的测井仪器。以往煤田使用的双侧向测井仪测量精度差， 测井曲线存在以下问题：

1 仪器的制作工艺水平较落后，部分线路老化、电路设计上存在着缺陷和不足，一致性差；

2 仪器动态范围小，两端电阻率（ 高阻或低阻）测量精度差，测井曲线易出现“负差异”等现象， 在部分煤田和矿区存在“双轨”现象；

3 仿CSU双侧向测井仪是目前国内测井效果较为理想的双侧向测井仪，但该仪器的深侧向屏流源在地面系统中，功率控制工作由地面系统来完成，使得该仪器在配接地面系统时有很大的局限性， 而且它的生产成本很高。

PS2332双侧向测井仪是一种新型的双侧向测井仪，在借鉴国内外先进技术的基础上，针对以往双侧向测井仪测量精度差、动态范围小、“双轨”等不足之处，实施了改造。该测井仪应用单片机控制主电流，给出深、浅屏流源的功率控制信号，实现恒功率控制，使得仪器在保证测量精度不变的前提下，扩大了电阻率的动态测量范围，通过软件的计算和处理，自动调整电流和电压的变化，保持主电流的功率恒定，极大地提高了仪器的动态范围和精度。整套电路硬件十分简单，最大限度地采用软件取代了硬件，并且采用了5700系列双侧向电极的电极距尺寸，同时取得深浅两条电阻率曲线，反映出地层真电阻率和侵入带电阻率的变化。可直接挂接PSJ-2A型数字采集记录仪和PST-1型数控成像系统。文章介绍了该仪器的基本工作原理，技术指标，软硬件的实现方法及实际应用。

二、设计思想

采用恒功率控制方式， 屏流优先。单片机进行数据运算和可变功率控制。可变功率控制的原则是在低阻层和高阻层时，电流和电压在线性区域内得到最好利用，使功率源输出的功率得到最大限度的利用。比如，单片机调节功率源的直流控制量，使得电子线路在高阻50000欧姆·米时电流很小，电压很大，但不饱和失真，电压折中后留有余量，以防遇到特殊情况时电压突然增大而失真；线性电路的放大倍数要满足在低阻1欧姆·米时电压很小，电流很大，且在其变化的线性区域内。这样双侧向测井仪在室内实验时，模拟出许多个地层电阻率，得出每个地层电阻率对应的控制点。记录好这些对应关系，将这些对应关系通过编程输进单片机，单片机在仪器工作时根据查表法找到所对应的这些控制点，将它发送给深、浅屏流源的控制端。其电流分布见图1。

三、主要技术

1 电路设计

深侧向和浅侧向电路的工作频率为244Hz，深浅侧向的转换频率为122Hz。深、浅侧向功控电流源发射屏流与主流，监控电路使地层电流场达到动态平衡；电流测量电路测量主流ID（深侧向）、IS（浅侧向），电压测量电路测量主流经过的目的层的压降VD（深侧向）、VS（浅侧向）。所测得的VD、VS、ID、IS送到由单片机组成的信号处理电路进行数据采集和处理，并采用一定的算法，控制深、浅侧向功控电流源的功率输出。

2 仪器的主要电路

（1）功控电流源电路

由单片机产生一个固定频率（244Hz）的方波信号，其幅度受深、浅侧向的电流控制，在深、浅侧向电流控制信号的作用下，经单片机处理、功率放大，形成深、浅侧向屏流。

（2）电压、电流测量电路

深、浅侧向电压信号输入到电压测量电路，经低通滤波器滤波后，得到深、浅侧向方波的电压信号，送到单片机的A/D口进行采集。电流测量电路的组成与电压测量电路完全一样。

3 应用单片机技术

该恒功率双侧向仪器的最大特点就是充分发挥了C8051F410单片机的作用，最大限度的采用软件替代了硬件，很好地完成了数据采集和功率控制，所测得的各路模拟信号直接进行A/D转换。单片机根据采集的深、浅侧向电压、电流信号，依据设定的功率控制算法通过数字恒功率调节器调节稳定，再经过D/A转换，产生深、浅侧向功率控制信号，去控制深、浅侧向主电流的发射功率。

4 软件控制

程序经初始化后，依次完成数据采集、计算功率，D/A数模转换，产生深、浅侧向功率控制信号，深浅侧向采用时分制控制，完成一次循环，直到使仪器深、浅侧向主电流的发射功率达到设定的最佳指标。

PS2332数控恒功率双侧向测井仪的电路方框图和软件流程图，请见图2和图3所示。

5 主要技术特点及指标

四、主要技术特点

1 仪器采用单片机技术，用软件控制深浅侧向功率，通过数字恒功率调节器调节，使深浅侧向功率恒定，增加了仪器工作稳定性，扩大了仪器测量范围，提高了测量精度。

2 采用优化的电极尺寸，主要电极系尺寸仿国外5700电极系尺寸，用玻璃钢棒一次加工成型，仪器直径￠60mm，总长度5200mm。这样增加了探测深度，特别是浅侧向探测深度的增加克服了高阻、高矿化度泥浆、大井眼对浅侧向测量值的影响。

3 深、浅侧向功控电流源均采用大功率集成电路，使其带负载能力大大增强，同时由于采用恒功率技术，使仪器在高矿化度泥浆中测井也能取得较好的资料。

4 仪器可与PSJ-2A型数字采集记录仪和PST-1型成像测井仪等地面系统直接挂接，进行其原有的组合测井，可实现新老井下仪器的全面兼容和过渡。

5 仪器中采用了单片机、最大限度地采用软件替代了硬件，并使用大规模的集成元件。作到了结构紧凑，硬件少，整套电路集成度较高，维修方便，保密性强。

五、主要技术指标

外径：￠60mm

最大耐温：85℃

最大测井速度：1000m/h

测量动态范围：1欧姆·米～ 50000欧姆·米。

电阻率测量精度：

1欧姆·米～100欧姆·米 20%

100欧姆·米～2000欧姆·米 5%

2000欧姆·米～5000欧姆·米 10%

5000欧姆·米～50000欧姆·米 20%

探测深度：深侧向2.54m， 浅侧向0.76m；

适用泥浆性质：0.018欧姆·米～3.08欧姆·米，盐水泥浆；

测量最大井径： 400mm

六、实际应用

PS2332数控恒功率双侧向测井仪目前已在山西晋城的矿区，东北梅河口地区以及贵州六盘水矿区进行了多口井的测井试验验证，与以前的双侧向仪进行了曲线对比测井，证明该测井仪曲线质量明显优于其他双侧向仪器，特别是动态范围更大，高阻地层不平头、不出负值。大井眼的情况下，深、浅侧向曲线反映正常，不出现岐变现象。

图4是在东北梅河口地区某井区所测的双侧向曲线对比图。

参考文献

[1]赵乃赓.改恒流式为恒功率式双侧向测井仪[J].测井技术，1990（3）.

功率器件篇10

关键词：电子元器件 封装技术 大功率真空管

电子行业的发展，并非仅仅是原有需求的简单修复，还受到了新技术、新产品、新应用的拉动。从产业成长阶段来看，产业发展正从中低端产品进口替代、出口替代步入中高端产品进口替代、出口替代的过程。技术、创新将逐渐取展趋势。

一、电子元器件封装技术发展趋势

未来集成电路技术，无论是其芯片面积、特征尺寸和芯片所包含的晶体管数，还是其发展轨迹与IC封装，发展趋势都是芯片的规模越来越大，而面积越来越小；封装的体积越来越小，功能却越来越强；厚度越来越薄，引线间距在不断缩小，引线数却越来越多，并且从两侧引脚到四周引脚，最后到底面引脚；封装的成本越来越低，而封装的性能与可靠性越来越高，单位的封装面积、体积上的IC密度越来越高，线宽越来越细，并且由单芯片封装方向向多芯片的封装方向发展。

先进的封装技术可以推动更低功耗、更高性能、更小形状因子和更低成本的产品的发展。晶圆级芯片尺寸封装（WCSP）的应用范围正在不断的扩展，分立器件、无源器件、存储器和RF的比例在不断的提高。随着引脚数目和芯片尺寸的增加，板级的可靠性将成为一大挑战。系统封装（SIP）已经开始集成逻辑电路、MEMS 器件以及特定应用电路。MEMS应用覆盖了物理、惯性、光学、RF和生物医学等领域，这些应用需要使用不同种类的封装，比如晶圆级封装、过模封装、开腔封装和一些特殊类型的密闭封装。而使用TSV的三维封装技术能为MEMS器件与其他芯片之间的叠层提供有效的解决方案。晶圆级封装与TSV的结合能获得更小的填充因子，并且还能应用到包括光学、微流体和电学开关器件等领域。

二、大功率真空微波管仍然是发展重点

迄今为止，虽然SIC等大功率半导体器件取得了空前的发展，但是在相当长的时期内大功率真空微波器件技术仍然先进装备使用的首选。其原因除了目前大功率半导体器件还不能适应高温、高可靠性、高电压的大功率微波（毫米波）应用外，在新材料和先进工艺的支持下， 真空微波管发展空间还很大。

综合对国内外大功率真空微波管的相关文献的研究，要提升大功率真空微波器件的性能可以通过如下几种途径：

1）改进行波管的部件。通过改进常规行波管内在的部件，包括行波管内的阴极。改善阴极的研究包括非热阴极和热阴极两方面，研究新的涂覆材料是重点。为了能延长阴极的寿命与提高电流的密度，可以通过评估场发射阴极阵列（冷阴极）的实用性来实现。

2）改进冷却技术。通过改进射频部件的冷却技术（尤其是螺旋线管）。改进行波管的冷却能明显提高其功率，研究人员采用金刚石膜覆盖的夹持杆来替代螺旋线行波管中的常规型夹持杆，因为这种杆具有很好的导热性。

3）改进电子束的聚焦能力。聚焦问题一直都是管子设计与制造的关键技术，如果处理不好就会导致部分能量消耗在射频的结构上（被它吸收了），从而使得管子的效率降低。目前正在研究开发一些更强、更可靠的磁性材料，能够将能量的损失减到最小，从而提高行波管的效率。

4）开发新技术。开发固态器件集成与行波管技术，形成微波功率模块器件。微波功率模块是用作放大器的毫米波单片集成电路、用一个电子功率调制器和于功率放大的螺旋线行波管等几种技术结合在一起。这些技术的结合有效的保证了各项技术的最佳效用；微波（毫米波）的单片集成电路作为频率放大器，而行波管只用作功率放大器。

三、电子元器件设计的可靠性分析

可靠性是指产品在规定的时间内和规定的条件下完成规定功能的能力。可靠性所反映的是装备在无故障情况下持续工作的能力，是体现装备持续执行作战任务的极限能力的重要指标，同时还是装备技术能力以及装备水平的重要体现。可靠性通常可以分为任务可靠性和基本可靠性。

任务可靠性是指产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。基本可靠性是指产品在规定的条件下，规定的时间内，无故障工作的能力。基本可靠性反映产品对维修资源的要求，统计基本可靠性值时，应统计产品的所有工作时间和所有的关联故障。

四、保护元器件的发展趋势

保护元器件主要分为三种过压、过流和过温元器件，下面着重分析这三种保护元器件的发展趋势。

过压保护器件用于保护后续电路免受甩负载或瞬间高压的破坏，常用的过压保护器件有压敏电阻、瞬态电压抑制器、静电抑制器和放电管等。过压元器件在今后的发展中应当采用ESD抑制器，这样可提高相应的时间。降低湘位电压，同时还能增高电流浪涌承受能力。今后的发展中还应采用陶瓷气体放电管，这能有效增强二级现压的保护。

过流元器件主要有一次性熔断器、自恢复熔断器、熔断电阻和断路器等，其中，最重要的过流保护器件是熔断器，也叫保险丝。其发展趋势是需要增强元器件的灵敏度，同时降低环境对其的影响，无论是在寒冬和炎热的夏天能取得一样的效果。同时提高过流元器件的安全性和耐久性也是发展的趋势。

过温元器件主要有热敏电阻、温度开关和温度熔断器等。在电源设计中经常使用NTC热敏电阻型浪涌抑制器作过温保护，因为其抑制浪涌电流的能力与普通电阻相当，但在电阻上的功耗则可降低几十到上百倍。过温元器件在今后的发展中应当增加NTC热敏电阻上工作电流。

参考文献