自振荡射频发生器：氮化镓技术助力高电压高效设计 - 上海电力元件展

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近年来，射频(RF)生成技术的进步推动了100 MHz以下频段内应用的创新设计。其中，高效的自振荡E类射频发生器因其简洁性、可靠性以及卓越的性能而脱颖而出，特别是通过使用氮化镓(GaN)晶体管。这些发生器能够实现95%以上的效率，并根据具体应用要求输出从几瓦到1千瓦的功率，生成高达数千伏的电压。

自振荡E类发生器在对振荡频率精度要求不高的应用中表现尤为理想，因为其无需外部信号源或严格的频率控制。此外，自振荡设计能够自动适应谐振回路参数的微小变化，从而增强对元件误差和环境变化的适应性。通过在GaN支持的E类驱动级中实施自振荡设计，并配备GaN驱动器，其更优越的开关特性进一步提高了效率。此外，引入启动电路可确保电路在上电时正确启动，增强了系统的可靠性。

设计与运行

图1展示了一种工作频率为13.56 MHz的自振荡E类发生器。这一设计利用GaN场效应晶体管(FET)实现了超过95%的效率，输出电压达到数千伏，非常适合应用于诸如介质加热、离子陷阱以及工业、科学和医疗领域使用的射频激光器等场景。

图1

初始启动与振荡

在电路首次上电时，启动信号(Vstart)为振荡过程提供初始信号。Vstart是一个频率接近目标工作频率(13.56 MHz)的振荡器，其输出经由电阻R9耦合至驱动器U1(LMG1025)的输入端。

此驱动器控制Q1(EPC2307 GaN FET)栅极的开关，使其以Vstart的频率开始开关。当Q1开始开关时，它驱动由电感L2和电容C6组成的谐振回路。电容C11在E类配置中作为旁路电容，用于塑造电压波形。随着谐振回路积累能量，连接L2、C6、RL和C3的节点处的交流电压幅值逐渐增大，生成一个接近正弦的波形。

反馈与自振荡机制

谐振回路生成的交流信号通过电容C3拾取，并送入比较器U2(TLV3601)的正输入端。电阻R4和电容C2构成一个分压器并提供直流偏置。比较器的负输入端连接至一个直流参考电压(VCC3)。

当交流幅值足够高时，U2的输出信号与交流输入信号同步，遵循初始Vstart频率。比较器的输出信号为由C4、R7、D1、D2、R6和C5组成的峰值检测电路充电。一旦C5上的电压达到阈值(如1 V)，SW1被触发以停止Vstart信号，电路进入自振荡模式。

自振荡与稳态运行

在自振荡模式下，U2通过谐振回路的反馈信号继续驱动U1。自振荡的频率主要由L2和C6决定，在本设计中稳定在约13.56 MHz。通过精确调整，电路可始终保持在E类工作区域内，从而通过最小化Q1开关过程中电压与电流的重叠来确保高效率。

性能分析

图2和图3提供了更深入的性能洞察。图2展示了GaN FET的漏极和栅极电压波形，验证了E类工作模式，即FET在漏极电压降至零时开关，从而最小化开关过渡期间的功率损耗。图3显示了电路上电后负载上的振幅增加过程，表明能量传输效率高且快速达到稳态振荡。

图2

输出电压与效率

在最佳工作点，RL上的输出电压约为2.75 kV RMS，RL上的功率损耗为75.5 W，模拟效率超过95%。然而，在实际应用中，由于元件不完美、寄生效应以及额外的电路损耗，实际测得的效率通常略低。通过进一步调试和优化，该电路可适配于介质加热、离子陷阱或射频激光器等应用。

组件漂移与负载变化的管理

高品质因数(Q值)的谐振回路对L2和C6组件的微小变化非常敏感，这可能影响输出幅值和效率;负载偏离目标值(如100 kΩ)也可能导致效率下降，并可能引起GaN FET过热。

通过在旁路和谐振电容中引入由MOSFET控制的可调电容等自动调谐技术，可以解决上述问题。自适应控制机制能够实时调整电路参数，以在组件漂移或负载变化的情况下保持最佳性能。

图3

射频功率变革行业

自振荡E类射频发生器的创新是对100 MHz以下频段内多个领域产生深远影响的技术趋势之一。例如，射频能量可用于介质加热技术以干燥和固化塑料，也可用于食品烹饪;射频激光(如CO2激光器)可用于精确切割、焊接和雕刻。半导体制造中，射频驱动的等离子体被用于微纳米尺度材料的刻蚀和沉积。此外，射频系统在粒子加速器、质谱仪离子陷阱以及用于治疗癌症或通过微创手术矫正心律失常的射频消融医疗技术中亦至关重要。

固态射频与非线性效率

从基于真空管的系统向固态技术的转变彻底革新了射频生成。GaN FET提供了更高的效率、更低的热量、更小且更可靠的设计。固态系统还延长了设备寿命并降低了运营成本，而最近的技术进步使其能够处理以前仅由真空管系统完成的大功率任务。将有源器件作为开关运行可提高效率，但会降低线性度，这在许多不需要精确线性放大的射频应用中是可接受的权衡。

E类发生器的效率可达85%至95%，且设计简单，非常适用于射频加热和等离子体产生。F类发生器理论上可超过90%的效率，适合高功率输出的射频频率应用，特别是线性度要求不高的场景。而D类半桥发生器通常用于13.56 MHz等频率的工业射频加热和等离子体应用，但在高频下效率会因开关损耗增加而降低。

高效自振荡E类射频发生器

高效自振荡E类射频发生器的发展正改变100 MHz以下频段内的应用。通过利用GaN技术的优势和创新设计，这些发生器能够提供卓越的性能。它们高效、可靠地生成高电压射频能量的能力，不仅将带来新可能，还将推动多个行业现有技术的进步。

    文章来源：浮思特科技

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