Конечно, производители полупроводников также производят множество прекрасных компонентов для импульсного трафика в нашем диапазоне 23 см или окружающих частотах, и многие радиолюбители хотят эти компоненты (например, MRF6V12500H или BLL6H1214-500 или PTVA127002E ). Можно ли использовать эти транзисторы для построения SSPA для полосы 23 см? «Да, мы можем», но ...
Обратите внимание на одно важное число в техническом паспорте, называемое «корпус с термическим сопротивлением», или RθJC: это число, записанное в ° C / W или K / W, и оно указывает на тепловое сопротивление между полупроводниковой микросхемой и корпусом транзистора. , На практике это сопротивление для высокочастотного транзистора высокой мощности обычно находится в диапазоне между приблизительно. 0,2 и 0,8. Например, если значение равно 0,5, это означает, что если теплопередача превышает 1 Вт тепловой мощности, температура чипа увеличивается на +0,5 ° C. Итак, давайте проанализируем: если температура радиатора корпуса транзистора установлена, например, на 60 ° C, температура корпуса транзистора будет выше за счет теплового сопротивления между охладителем и корпусом транзистора. Теперь давайте оценим сопротивление между корпусом и радиатором около 0,2 ° C / Вт. Для транзистора PTVA12700E ( который работает в импульсном режиме и имеет внутреннее тепловое сопротивление 0,36 ° C / Вт) температура полупроводниковой микросхемы будет рассчитываться следующим образом:
A) Выходная мощность ВЧ 700 Вт при КПД 56% означает, что входная мощность транзистора составит 1250 Вт. Следовательно, тепловые (коллекторные) потери составят 550 Вт. Это равносильно работе CW (если мы пренебрегаем тепловым эффектом мощности привода).
B) При КПД 12% импульсного коэффициента заполнения (транзистор работает только в 12% случаев, когда током BIAS пренебрегают), потери будут «только» 550 x 0,12 = 66 Вт.
C) Если температура радиатора равна 60 ° C, температура стружки (0,2 + 0,36) x 66 = 37 + 60 ° C = 97 ° C (60 ° C - это температура радиатора). В связи с тем, что температура микросхемы этих транзисторов находится на полной выходной мощности ВЧ около 150 ° C, этот транзистор работает относительно «мягко» и будет передавать более длинные импульсы (но не постоянный PTT «стиль нажатия клавиши»).
Производитель указывает в спецификации, что транзистор был протестирован с возбуждением на 44,4 дБм (27,5 Вт) при нагрузочном импульсе 50% до перегрузки по току, когда его коэффициент усиления упал на 3 дБ (де-факто к своему ограничению). В таком режиме транзистор мог выдавать ВЧ-мощность 703 Вт. При какой температуре работал чип, когда температура радиатора поднялась до 70 ° C? Потребляемая мощность в этом режиме составит 703 / 0,56 = 1255 Вт + 27,5 Вт (ВЧ-привод). Таким образом, общая тепловая мощность (которая должна быть передана от чипа) будет равна 1255 + 27,5 - 703 = 580 Вт. Однако эта мощность работает с нагрузкой рабочего цикла 50%. Таким образом, нет необходимости снимать тепловую мощность в 580 Вт, а «только» 290 Вт. Эта тепловая мощность при тепловом сопротивлении 0,36 ° C / Вт создает тепловой градиент 290 x 0,36 = 104 ° C. И поэтому во время нашего измерения мы имеем температуру транзистора корпуса (опорная поверхность) , равной 70 ° С, это означает , что полупроводник работает при температуре 174 ° С. В таких условиях транзисторы будут страдать «как в аду».
Теперь давайте рассмотрим некоторые другие транзисторы, разработанные для работы в непрерывном режиме, такие как вышеупомянутый MMRF1005H, чтобы мы могли сравнить, при какой температуре чипа ( полупроводникового) транзистор работает в режиме «непрерывной несущей». RθJC составляет 0,42, а при Pout 235 Вт КПД транзистора составляет 53%. Все это при температуре корпуса 77 ° С. Таким образом, энергопотребление составит около 443 Вт, а 208 Вт тепловой оболочки будет удалено из чипа. Если температура корпуса транзистора составляет 77 ° C, температура микросхемы будет равна: 208 x 0,42 = 87,5 ° C + 77 ° C = 164 ° C. И это значительная разница по сравнению с предыдущим транзистором, если он был работает в «каталожном» импульсном режиме с коэффициентом заполнения 12%!
Предположим, что транзистор PTVA12700E также будет работать в режиме CW с температурой микросхемы 164 ° C. Какую выходную мощность RF мы можем ожидать от этого? Для температурного градиента 164 - 70 ° C (см. Таблицу данных) и теплового сопротивления 0,36 ° C / Вт мы сможем передать около 261 Вт (94 / 0,36) тепловой мощности от чипа. Если транзистор будет иметь КПД 56% даже при этом более низком уровне мощности (схема согласования выходного сигнала должна быть адекватна этой уменьшенной мощности, поскольку транзистор будет иметь полное сопротивление нагрузки, отличное от 700 Вт выходной мощности РЧ), мы можем ожидайте от входной мощности транзистора 593 Вт (261 / 0,44) и выходной мощности около 332 Вт (593-261). Это лишь немного мощнее, чем вышеупомянутый 250-ваттный транзистор. Поэтому, если мы хотим увеличить выходную мощность радиочастотного сигнала от транзистора PTVA12700E (например, устройства мощностью 700 Вт) и увеличить мощность привода, мы обязательно уничтожим транзистор. Такой транзистор пригоден для SSPA, но мы не можем ожидать какой-либо удивительной выходной мощности или, лучше сказать, «ВЧ чудес»! Но у него есть еще один подводный камень: значения импеданса входной и выходной нагрузки, указанные для выходной РЧ-мощности 700 Вт в техническом паспорте, отличаются от значений выходной РЧ-мощности 332 Вт. В результате можно ожидать, что во время реальной работы PA согласование импедансов не будет оптимальным, что приведет к еще большему повышению температуры микросхемы.
Какую температуру следует учитывать и рассчитывать для транзисторной микросхемы, если мы разрабатываем новый SSPA? Честно говоря сказал как можно ниже. Одно старое правило гласит: если мы увеличим температуру полупроводникового чипа на 10 ° C, его надежность упадет в 100 раз. Кремниевые транзисторы не должны эксплуатироваться при температуре чипа выше примерно 160 ° C, а для транзисторов старше 10 лет - только около 150 ° C (если мы не хотим быстро сократить срок службы транзистора). Это связано с тем, что повышенная температура чипа также снижает допустимые потери коллектора и устойчивость к плохой адаптации. Я бы порекомендовал проверить график (с наклонным углом) в таблице данных транзисторов, показывающий безопасную зону его работы. Довольно интересно, почему некоторые производители не отображают график области безопасности как часть таблицы данных (вероятно, по маркетинговым причинам), а другие прилагают только короткую заметку, такую как: «Общая рассеиваемая мощность устройства @ TCase = 25 ° C: 476 Вт, снижение выше 25 ° C на 2,38 Вт / ° C ", как написано в техническом описании Freescale для транзистора MMRF1005H . Более высокая температура полупроводникового перехода (около 200 ° C) будет приемлемой для новых GaN-транзисторов, но пока они не получили широкого распространения среди радиолюбителей из-за их высокой цены.
Давайте вернемся и кратко рассмотрим вероятную температуру микросхемы хорошо известного и популярного 1-киловаттного 2-метрового транзистора MRF1K1250 : при выходной мощности 1250 Вт КПД равен 78%, а тепловое сопротивление - 0,15 ° C / Вт. и температура корпуса транзистора составляет около 63 ° C. Можно ожидать, что температура чипа в таком случае составит всего 116 ° C ! Так что неудивительно, что такой транзистор действительно плохо работает !!!
Может быть, вам было бы интересно узнать, как обстоят дела с SSPA 23 см SM4DNH, представленной OK1DFC? Транзистор BLF6G13L-250P будет иметь во время работы температуру микросхемы чуть ниже 136 ° C (если она фактически оптимизирована для реального сопротивления транзистора) для выходной РЧ-мощности 250 Вт, КПД 56%, тепловое сопротивление 0,26 ° К /. Вт и температура корпуса транзистора 85 ° С. Теперь давайте сами рассмотрим, какую производительность вы могли бы получить от своего домашнего полупроводникового усилителя мощности, если подумать о фактах, представленных в этой статье! Эффективность и тепловое сопротивление внутри транзистора определяют его срок службы!
