提高微波功率晶体管可靠性

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1 引言

微波功率晶体管(以下简称微波功率管)是指用于微波频段的功率放大，输出较大功率，散发出较高热量的晶体管。微波功率管是固态发射机及T/R组件的核心器件，其可靠性对系统的可靠性指标起着决定性的作用。微波功率管的可靠性分固有可靠性和使用可靠性两部分。固有可靠性主要靠生产厂在器件的设计、工艺、原材料选用等过程中来保证。而统计数据表明，器件的使用方一产品设计师，对器件的选择、使用过程中存在某些失控所导致的器件失效比例几乎占到器件总失效率的50％。所以，作为微波工程师，除了按照要求选用合适质量等级的微波功率管外，在使用当中也有诸多的注意事项，以保证微波功率管的使用可靠性。 2瞬态过载

微波功率管存在一个安全工作的范围，即通常所说的安全工作区(如图1所示)。他是一个由最大集电极电流ICM，雪崩击穿电压BVCEO，最大耗散功率PCM和二次击穿触发功率PSB这些参数所包围的区域。这些均为功率管的极限参数，设计师在使用微波功率管时，为保证可靠性，一般都会有意识地使器件工作参数落在安全区内，且有一定程度的降额。但是，微波功率管在正常使用当中可能发生某些电应力的瞬态过载，易使器件损坏，而这些在设计中往往没有被考虑或未引起足够的重视。

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2.1 派涌电压(电流)

雷达发射机用微波功率管一般工作在脉冲状态，输入信号为一个矩形脉冲波，其工作电流在几百纳秒甚至几纳秒的时间内发生很大变化，而电荷的储存和释放均需要一定的时间，所以在脉冲启动或关断时的转换瞬间便有浪涌出现。图2为某脉冲功率放大晶体管在使用时集电极的电压波形。

如果电压(电流)过冲超出允许范围，微波功率管就会因为击穿而被烧毁或导致永久性损伤，另外，浪涌还会通过电磁辐射影响其他电路。

为了防止浪涌，需要加保护电路。比较简便的方法是接旁路电容(有时称去耦电容)。这是因为浪涌电压具有很高的频率成分，故在馈电电路上接旁路电容加以抑制。旁路电容应该是低电感的高频电容，如多层陶瓷电容和钽电解电容。保护电路常用的方法还有加钳位二级管来限制浪涌电压的幅度。

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2.2 失配

一般来说，微波功率管的输入、输出阻抗都很低，如BJT输入阻抗实部只有几个欧姆。故功率晶体管在使用中都要与系统阻抗(一般为50 Q)匹配。设计师在设计匹配电路时，均会尽量使微波功率管处于匹配状态或失配很小在允许的范围内。但通常在放大器中需要多级晶体管级联工作，后级放大电路作为前级放大器的负载，其特性发生变化时，会导致前一级的负载失配，负载驻波系数发生变化。当晶体管输出较大功率时，输出电路的失配甚至会使集电极受到数倍于电源电压的瞬时峰值电压，造成烧毁。

为了防止微波功率管在使用中的失配而烧毁，需加强放大电路之间的级间隔离，如在每级之间加隔离器，利用隔离器的单向传输特性使得负载变化对功率管的影响减弱，起到保护功率管的作用。一般在大功率使用情况下，应尽量避免两级以上的晶体管放大器无隔离的级联。 3结温和热阻

微波功率管是温度敏感的器件。对于硅管，最高结温Tjm一般在200℃，而锗管一般在125℃。结温对功率管的可靠性有很严重的影响，如NPN功率管，在 140℃下的故障率为20℃时的7.5倍。故从可靠性设计的角度考虑，在使用中要尽量降低微波功率管工作时的最高结温，即对结温采用降额。

微波功率管工作时的结温有以下表达式：

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其中，Ta为环境温度，RT是晶体管的散热热阻，PCM为晶体管的最大耗散功率，RT又包含晶体管的内热阻、散热材料的热阻(又称外热阻)以及晶体管与散热材料的接触热阻3部分。

从式中看出结温的降额途径，一是降低微波功率管的最大耗散功率，即对电压、电流进行降额使用；二是改进散热方式，降低RT。外热阻是由材料的特性决定的。内热阻决定于器件设计、材料、结构和工艺，是半导体自身的属性。设计师应尽可能选择内、外热阻小的器件和材料。为了减少功率管外壳与散热器间的接触热阻，可采取的措施有：确保接触表面平滑，扭紧螺钉来加大接触压力，用导热化合物填塞空隙等。

4参数漂移

微波功率管在使用中会遇到参数漂移的问题，设计师在设计电路时，应当避免敏感设计，使得晶体管在电路或环境等参数在一定范围内变化时，仍能正常工作，这也就是可靠性设计中的容差设计。

引起参数变化的因素包含加工制造公差、温度变化、辐射影响等(在讨论使用可靠性时，我们忽略了微波功率管自身参数随时间的变化)。设计师在设计时，应当借助试验手段，掌握有关参数变化产生的影响--如通过环境试验获得微波功率管参数随温度变化的特性，通过电压拉偏试验了解其对指标的影响等。也可以用CAD手段进行容差设计。图3为用微波仿真软件设计电路的某一参数在变化5％(模拟加工公差)时，使得端口参数Su在一定的范围发生变化。通过仿真，可以判断某参数是否为敏感的参数，其可能的变化范围是否会影响电路的正常工作。