175 ℃功率MOSFET场效应管在核磁共振功放电路中的应用

师光辉,李梦春,,侯学理,,郭瑛,黎晗,葛斌,蔡长波

(1.中国石油集团测井有限公司,陕西 西安 710077;2.中国石油天然气集团公司测井实验基地,陕西 西安 710077)

0 引 言

核磁共振测井仪中发射系统能够将小功率信号放大为600 V,瞬时电流达12 A,功率约3～4 kW,以激发岩层产生所需的回波信号并采集[1]。在高频功率放大电路的各种技术指标中,发射效率和温度指标,一直是受到关注的重要课题。核磁共振功率放大电路系统采用单电源供电的双全桥结构功率放大电路,全桥功率放大电路又称为D类功放电路,D类功放理论效率能达到100%,实际使用中,功率MOSFET场效应管将产生一部分的耗散功率。该部分的耗散功率转化为场效应管的热能使器件发热,造成结温升高,场效应管长时间在超结温的条件下工作,会发生器件损坏的情况,从而造成发射系统发生故障。

本文首先分析全桥电路的发射效率,同时计算单全桥电路在外界温度为175 ℃、负载为300 Ω的条件下场效应管的最大结温,最后进行场效应管失效率的检测。最终实现功率放大电路满足测井仪高温高压、大功率、高电压、大电流的要求。

1 全桥电路的发射效率

全桥功率放大电路实质上是一个能量转换器,综合半桥以及推挽式电路的优点,使得电流不变,而极间电压为单极结构极间电压的一半,功率场效应管工作在开关状态,耗散功率较小,从而带来足够高的发射效率[2]。

D类功率放大器,最少有3种电路结构,互补电压型D类功率放大、变压器耦合电压型D类功率放大器、变压器耦合电流型D类功率放大器[3]。所设计的功率放大电路属于变压器耦合电压型D类功率放大器,采用双全桥结构由8个射频功率场效应管组成,单个全桥电路示意图见图1。其中4路控制变压器分别是TR1、TR2、TR3、TR4,构成单全桥的4个场效应管分别是T1、T2、T3、T4,电感L和电容C构成滤波网络。电阻RL、RLOAD分别是谐振滤波网络等效电阻、负载电阻,发射高压为En、-En(幅度可等效为VCC)。

图1 单全桥电路结构功放电路示意图

核磁共振测井仪发射电路由2路全桥电路构成,2路全桥电路在天线接口部分经变压器耦合后输出至天线,同时,2路发射信号相位由激励模块进行控制。在天线上最大可以获得2倍于单路的高压信号,电路输出的方波信号经天线谐振电路后滤除其谐波成分[4]。发射器输出基波电压Vp表达式为

(1)

(2)

等效负载电阻RLOAD上得到的输出功率为

(3)

电源提供的直流功率为

(4)

场效应管效率为

(5)

从效率计算公式可以发现,功率放大电路有部分能量损失在场效应管上,该部分能量称为耗散功率。耗散功率会使芯片发热,加上外界温度较高,功率MOSFET场效应管长时间工作极有击穿的可能。为了确定一个场效应管是否适合于某特定应用,必须计算一下其功率耗散PD,T,它主要包含阻性PD,R和开关损耗PD,S2部分。

PD,T=PD,R+PD,S

(6)

(7)

(8)

式中,ILOAD为负载电流;RDS(ON)为导通电阻;CRSS为场效应管的反向传输电容;FSW为开关频率;VOUT为输出电压;VIN为输入电压[5]。

2 耗散功率与结温的关系

由于功率MOSFET场效应管的功率耗散很大程度上依赖于它的导通电阻(RDS(ON)),但是场效应管的RDS(ON)与它的结温(TJ)有关,TJ又依赖于场效应管的功率耗散以及它的热阻(ΘJA)。这里需要给定芯片结温一个设定值,根据式(2)可以算出发射器壳体温度。如果计算出的壳体温度小于175 ℃,则结温设定值偏低,再提高结温继续进行迭代计算,当计算出的壳体温度达到或略高于175 ℃,此时的设定结温即为芯片在175 ℃外界环境下正常工作的最大结温。

TAMBIENT=TJ(HOT)-TJ(RISE)

(9)

式中,TJ(HOT)为最大结温;TJ(RISE)为耗散功率引起的温升;TAMBIENT为发射器壳体温度。

RDS(ON)=RDS(ON)SPEC[1+0.005×(TJ(HOT)-TJ(SPEC))]

(10)

式中,RDS(ON)SPEC为计算所用的MOSFET导通电阻;TSPEC为规定RDS(ON)SPEC时的温度。功率MOSFET场效应管的典型温度系数在0.35%/℃至0.5%/℃之间[6]。这里按最差情况下的温度系数进行计算,即温度系数取0.005。

图2 300、600 V高压时输出波形

3 高温功率MOSFET场效应管筛选

为满足井下175 ℃高温环境测井需要,发射器的温度性能极其关键,场效应管作为双全桥电路的核心器件,它的耐温性能的好坏直接关系到整支仪器的测井效果。目前市场上的功率MOSFET场效应管耐温多在150 ℃以下,超过175 ℃的芯片少之又少,批量芯片中又存在温度性能欠佳的情况。本文经过筛选判断,功率MOSFET场效应管APT14 M100B不仅在温度性能方面表现优异,而且满足原有驱动电路设计。

3.1 全桥电路发射功率测试

发射器提供的直流高压VCC=1 200 V,即En=600 V,-En=-600 V。发射频率为1 MHz,1 ms内发射高频段占33 μs。功率MOSFET场效应管型号为APT14M100B,全桥功率放大电路直接接300 Ω负载进行测试。图2为300、600 V直流高压输入对应的输出高压波形。可见,该芯片满足设计需求。其中,不同高压输入时,根据式(11),高频段的平均功率PD(理论输出功率)及发射效率计算见表1。

(11)

表1 全桥电路300 Ω负载功率测试

3.2 耗散功率与临界最大结温的计算

由式(9),通过迭代算法可计算合适的结温TJ。其中功率MOSFET场效应管APT14M100B的典型参数:TSPEC=25 ℃时,RDS(ON)SPEC=1.1 Ω,3个管并联后RDS(ON)SPEC=0.66 Ω,由此可计算不同结温下的导通电阻RDS(ON)HOT以及耗散功率,从而计算耗散功率引起的温升TJ(RISE)。这里假设外壳温度TAMBIENT=175 ℃,发射器壳体材料采用铍青铜,ΘJA大约为0.7 ℃/W,这里同样取最差情况。迭代算法结果见表2。由表2可知,TJ=200 ℃时,计算出的壳体温度略高于175 ℃,故功率MOSFET场效应管APT14M100B的临界最大结温为200 ℃[7]。

表2 临界最大结温计算

3.3 场效应管APT14M100B高温检测

对场效应管APT14M10B在200 ℃做温度特性测试。芯片检测采用分立元件测试系统JC3190,该系统能够较好地检测芯片各参数,将芯片置于烘箱,可测试不同温度条件下的参数变化情况,利用该系统进行测试对芯片的破坏性极小,测试结果具有较好的参考价值。测试条件根据芯片手册提供的芯片参数进行测试,主要测试BVDSS(漏源击穿电压)、IDSS(漏极电流)、VGS(栅源阈值电压)RDS(导通电阻)[8]。

根据使用要求、国家相关标准及场效应管实验规范,场效应管导通阻抗的失效阈值百分比取为20%,即导通阻抗变化量超过初始值的20%时视为失效。50只场效应管进行温度测试,从测试结果来看,部分场效应管超过180 ℃时,击穿电压阈值下降,实际使用中会造成芯片失效,导通电阻随温度变化趋势和芯片手册资料基本吻合,在结温为200 ℃时,RDS约为2 Ω,和上述计算结果大体一致。50只芯片测试结果显示,结温200 ℃芯片失效率为8%。

4 整机联调测试

核磁共振测井仪发射器采用单电源双全桥电路结构,单路发射高压可以达到1 200 V,2路高压经激励模块调节相位,最大可以实现2 400 V的瞬时高压信号。将电子线路置于烘箱中,加温175 ℃,检测核磁仪器质量监控指标B1、增益GAIN、孔隙度φ等各参数如图3示。测试结果显示,B1波动小于10,GAIN波动小于80,φ波动小于2.5 p.u.,各监控指标均在合理范围内。

图3 175 ℃高温功率MOSFET场效应管应用效果

5 结 论

(1) 井下175 ℃高温环境给核磁共振测井仪带来严峻考验,同时,发射器的耗散功率也会引起自身的发热,功率MOSFET作为全桥发射电路的核心芯片最先受到高温的冲击而失效。

(2) 分析并计算了在175 ℃环境下功率MOSFET应具备的临界最大结温,芯片APT14M100B能满足设计电路需求,175 ℃高温环境的临界最大结温应为200 ℃。

(3) 通过在专用芯片检测平台测试,该芯片在200 ℃的失效率约为8%,由于这种检测方法并非破坏性,通过筛选,可以在仪器上正常使用。

(4) 经过整机联调测试,再次验证该芯片在175 ℃环境下的可实用性。