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1 引言 微波功率晶體管(以下簡稱微波功率管)是指用于微波頻段的功率放大，輸出較大功率，散發出較高熱量的晶體管。微波功率管是固態發射機及T/R組件的核心器件，其可靠性對系統的可靠性指標起著決定性的作用。微波功率管的可靠性分固有可靠性和使用可靠性兩部分。固有可靠性主要靠生產廠在器件的設計、工藝、原材料選用等過程中來保證。而統計數據表明，器件的使用方一產品設計師，對器件的選擇、使用過程中存在某些失控所導致的器件失效比例幾乎占到器件總失效率的50％。所以，作為微波工程師，除了按照要求選用合適質量等級的微波功率管外，在使用當中也有諸多的注意事項，以保證微波功率管的使用可靠性。 2 瞬態過載 微波功率管存在一個安全工作的范圍，即通常所說的安全工作區(如圖1所示)。他是一個由最大集電極電流ICM，雪崩擊穿電壓BVCEO，最大耗散功率PCM和二次擊穿觸發功率PSB這些參數所包圍的區域。這些均為功率管的極限參數，設計師在使用微波功率管時，為保證可靠性，一般都會有意識地使器件工作參數落在安全區內，且有一定程度的降額。但是，微波功率管在正常使用當中可能發生某些電應力的瞬態過載，易使器件損壞，而這些在設計中往往沒有被考慮或未引起足夠的重視。 2．1 派涌電壓(電流) 雷達發射機用微波功率管一般工作在脈沖狀態，輸入信號為一個矩形脈沖波，其工作電流在幾百納秒甚至幾納秒的時間內發生很大變化，而電荷的儲存和釋放均需要一定的時間，所以在脈沖啟動或關斷時的轉換瞬間便有浪涌出現。圖2為某脈沖功率放大晶體管在使用時集電極的電壓波形。 如果電壓(電流)過沖超出允許范圍，微波功率管就會因為擊穿而被燒毀或導致永久性損傷，另外，浪涌還會通過電磁輻射影響其他電路。 為了防止浪涌，需要加保護電路。比較簡便的方法是接旁路電容(有時稱去耦電容)。這是因為浪涌電壓具有很高的頻率成分，故在饋電電路上接旁路電容加以抑制。旁路電容應該是低電感的高頻電容，如多層陶瓷電容和鉭電解電容。保護電路常用的方法還有加鉗位二級管來限制浪涌電壓的幅度。 2．2 失配 一般來說，微波功率管的輸入、輸出阻抗都很低，如BJT輸入阻抗實部只有幾個歐姆。故功率晶體管在使用中都要與系統阻抗(一般為50 Q)匹配。設計師在設計匹配電路時，均會盡量使微波功率管處于匹配狀態或失配很小在允許的范圍內。但通常在放大器中需要多級晶體管級聯工作，后級放大電路作為前級放大器的負載，其特性發生變化時，會導致前一級的負載失配，負載駐波系數發生變化。當晶體管輸出較大功率時，輸出電路的失配甚至會使集電極受到數倍于電源電壓的瞬時峰值電壓，造成燒毀。 為了防止微波功率管在使用中的失配而燒毀，需加強放大電路之間的級間隔離，如在每級之間加隔離器，利用隔離器的單向傳輸特性使得負載變化對功率管的影響減弱，起到保護功率管的作用。一般在大功率使用情況下，應盡量避免兩級以上的晶體管放大器無隔離的級聯。 3 結溫和熱阻 微波功率管是溫度敏感的器件。對于硅管，最高結溫Tjm一般在200℃，而鍺管一般在125℃。結溫對功率管的可靠性有很嚴重的影響，如NPN功率管，在 140℃下的故障率為20℃時的7．5倍。故從可靠性設計的角度考慮，在使用中要盡量降低微波功率管工作時的最高結溫，即對結溫采用降額。 微波功率管工作時的結溫有以下表達式： 其中，Ta為環境溫度，RT是晶體管的散熱熱阻，PCM為晶體管的最大耗散功率，RT又包含晶體管的內熱阻、散熱材料的熱阻(又稱外熱阻)以及晶體管與散熱材料的接觸熱阻3部分。 從式中看出結溫的降額途徑，一是降低微波功率管的最大耗散功率，即對電壓、電流進行降額使用；二是改進散熱方式，降低RT。外熱阻是由材料的特性決定的。內熱阻決定于器件設計、材料、結構和工藝，是半導體自身的屬性。設計師應盡可能選擇內、外熱阻小的器件和材料。為了減少功率管外殼與散熱器間的接觸熱阻，可采取的措施有：確保接觸表面平滑，扭緊螺釘來加大接觸壓力，用導熱化合物填塞空隙等。 4 參數漂移 微波功率管在使用中會遇到參數漂移的問題，設計師在設計電路時，應當避免敏感設計，使得晶體管在電路或環境等參數在一定范圍內變化時，仍能正常工作，這也就是可靠性設計中的容差設計。 引起參數變化的因素包含加工制造公差、溫度變化、輻射影響等(在討論使用可靠性時，我們忽略了微波功率管自身參數隨時間的變化)。設計師在設計時，應當借助試驗手段，掌握有關參數變化產生的影響--如通過環境試驗獲得微波功率管參數隨溫度變化的特性，通過電壓拉偏試驗了解其對指標的影響等。也可以用CAD手段進行容差設計。圖3為用微波仿真軟件設計電路的某一參數在變化5％(模擬加工公差)時，使得端口參數Su在一定的范圍發生變化。通過仿真，可以判斷某參數是否為敏感的參數，其可能的變化范圍是否會影響電路的正常工作。 5 結 語 由于微波功率管電路參數的復雜性，其工作條件的個體差異性，所以微波功率管的可靠性設計工作也是一個復雜的工程。在實際設計中，設計師應當針對具體情況進行分析，抓住主要矛盾，這樣才能快捷地解決問題，有效利用微波功率管的壽命周期。 |
