Ein 600W-Breitband-HF-Verstärker mit erschwinglichen LDMOS-Transitoren

Hallo und danke für Ihren Besuch in meiner kleinen Ecke des Internets.

Mein Name ist Razvan, ich interessiere mich für Computer, Elektronik, Gebäudefunkanlagen, tragbare/SOTA-Operationen und SDR. Ich denke, beim Amateurfunk geht es nur darum, neue Dinge zu bauen, zu experimentieren und zu testen, deshalb versuche ich, meine Ausrüstung zu Hause zu behalten. Ich bin in Rumänien geboren und lebe jetzt in Watford (Großbritannien), und dieser Blog ist der Ort, an dem ich versuche, meine Ideen zu teilen oder Dinge zu posten, an die ich mich in Zukunft erinnern möchte.

 

Meine Amateurfunk-Rufzeichen sind YO9IRF und M0HZH (beide mit vollen Rechten), und Sie können mir auf Twitter, Youtube und einigen anderen sozialen Netzwerken folgen (siehe die Seitenfußzeile unten).

Die Ankündigung der MRF300- und MRF101-Transistoren von NXP im Jahr 2018 hat in der Amateurfunk-Gemeinde ein ziemliches Interesse geweckt, und sobald ich davon erfuhr, wollte ich mir welche auf die Werkbank holen.

Und natürlich sind sie interessant: Man erhält die neueste LDMOS-Technologie, sie sind für mittlere bis hohe Leistungspegel ausgelegt (wo das Angebot nicht so reichhaltig ist) und werden in erschwinglichen Kunststoffgehäusen angeboten. Es trifft fast die unmögliche „schnelle, einfache und billige“ Dreierkombination … wenn es nur ein Design gäbe, das Amateurfunk-Enthusiasten als Ausgangspunkt für ihre Projekte nutzen könnten. Nun, mit dem folgenden Artikel sind wir diesem Punkt hoffentlich einen Schritt näher gekommen.

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Schauen Sie sich das 6-minütige Video an, wenn Sie nicht die Zeit haben, den ganzen Artikel zu lesen. (Englisch)

Dieses Projekt soll die Fähigkeiten der MRF300-Transistoren als lineare Breitbandgeräte im Bereich von 2-50MHz demonstrieren und von Funkamateuren als Ausgangspunkt für einen Verstärker mittlerer bis hoher Leistung verwendet werden. Dies ist auch mein Beitrag zum NXP Homebrew RF Design Challenge 2019.

Um das Ziel von 600 W Ausgangsleistung bei gleichzeitiger Minimierung der geradzahligen Oberwellen zu erreichen, wird eine „Gegentakt“-Konfiguration aus zwei Transistoren verwendet. Glücklicherweise hat der Hersteller das Leiterplatten-Layout für eine solche Anordnung leicht gemacht, indem er zwei Versionen (MRF300AN & MRF300BN) mit gespiegelter Pinbelegung angeboten hat. Es wird das übliche TO-247-Gehäuse verwendet, bei dem die Quelle mit der Lasche verbunden ist.

Jeder einzelne MRF300-LDMOS-Transistor ist mit 330 W Ausgangsleistung über einen Arbeitsfrequenzbereich von 1,8-250 MHz, einer maximalen Verstärkung von 28 dB und einem Wirkungsgrad von über 70 % spezifiziert. Der empfohlene Versorgungsbereich beträgt 30-50Vdc. Durch die Untersuchung der Spezifikationen sieht es so aus, dass wir mit korrekter Breitbandanpassung und einer gewissen Betriebssicherheitsmarge nahe an 600 W Ausgangsleistung bei einer Spannung von etwa 45 V über eine resonant große Bandbreite kommen können; das Ziel ist es, 1,8 bis 54 MHz abzudecken.

Die Hauptherausforderungen beim Entwurf dieses Verstärkers hängen mit dem Erreichen einer guten Eingangs- und Ausgangsanpassung über den gesamten Frequenzbereich sowie mit der Beibehaltung einer hohen und flachen Verstärkung zusammen. Eine gute Linearität und ein niedriges Niveau der harmonischen Produkte sind zwingend erforderlich. Da der TO-247 kein speziell für Hochleistungs-HF entwickeltes Gehäuse ist, gibt es auch einige Herausforderungen beim thermischen Design und beim Leiterplatten-Layout.

Beschreibung der Schaltung

Der Schaltplan ist unten zu sehen. Für den Eingang wird ein 4:1-Transformator verwendet, zusammen mit einem 33-Ohm-Widerstand (R1), der die Blindantwort teilweise dämpft und die Eingangsanpassung verbessert.

Schaltplan – zum Vergrößern anklicken

Der Ruhestrom für die MRF300-LDMOS-Transistoren ist auf jeweils 300 mA eingestellt, mit einer Gate-Vorspannung von etwa 2,7 V. Um diesen Wert zu erreichen, nimmt ein LM317HV-Hochspannungs-Linearregler die Versorgungsspannung und regelt sie auf einen Wert von etwa 8-10V herunter, der über einzelne einstellbare Mehrgang-Potentiometer weiter auf den genauen Wert heruntergeteilt wird. In der Rückkopplungsschleife des Reglers befindet sich ein Thermistor mit negativem Wirkungsgrad, so dass bei einem Anstieg der Kühlkörpertemperatur die Gate-Vorspannung des MRF300 leicht abnimmt, um den gleichen Ruhestrom aufrechtzuerhalten. Ein externes Signal kann diese Spannung abschalten, um die Leistungsaufnahme zu reduzieren, wenn der Verstärker nicht verwendet wird.

Die 560-Ohm-Widerstände (R2 und R3) sorgen für eine negative Rückkopplung, wodurch der Verstärker besser vorhersagbar ist und die IMD-Leistung verbessert wird. Für eine geringe Erhöhung der Gesamtverstärkung lohnt es sich, eine Erhöhung ihres Wertes zu untersuchen.

Die eigentliche Herausforderung besteht darin, den Ausgang auf 50 Ohm anzupassen. Für einen maximalen Wirkungsgrad über eine große Bandbreite sind Übertragungsleitungstransformatoren (TLT) die beste Option, und die nächstliegenden Transformationsverhältnisse sind 1:4 oder 1:9. Bei einer 50-V-Versorgung und einem 1:4-Transformator liegt die maximal erreichbare Ausgangsleistung bei etwa 400 W, da die theoretische Lastimpedanz für jeden Transistor zu hoch ist. Mit einem 1:9-Transformator kann eine höhere Leistung erreicht werden, aber die Anpassung wird kritischer; die Versorgungsspannung kann zur Verbesserung des Wirkungsgrads unter 50V reduziert werden, aber der Strom muss aktiv überwacht und im sicheren Bereich gehalten werden (insgesamt unter 20A).

Die beiden Seiten eines breitbandigen 1:9-TLT-Transformators

Um minimale Verluste zu erzielen, muss das im TLT verwendete Koaxialkabel einen Wellenwiderstand haben, der dem geometrischen Mittel der Eingangs- und Ausgangsimpedanzen entspricht. Da es sich um einen 1:9-Transformator handelt und der Ausgang 50 Ohm betragen muss, ergibt sich die Eingangsimpedanz zu 50/9 = 5,56 Ohm und der Koaxialwellenwiderstand beträgt sqrt(50*5,56) = 16,67 Ohm. Ich wählte das speziell für diesen Zweck entwickelte Koaxialkabel TC-18, das eine Impedanz von 17 Ohm hat und aus hochwertigen Materialien besteht, so dass es hohe Leistung und Temperatur verträgt. Um die Impedanz von 17 Ohm zu erreichen, können auch 3 Längen RG-316 parallel verwendet werden, aber RG-316 ist schwieriger zu verarbeiten, und es könnte eine Herausforderung sein, es neunmal in übliche Ferritkerne zu stecken.

Die Länge der Koaxialkabel ist am besten kurz zu halten, um den Wirkungsgrad bei hohen Frequenzen zu erhalten, idealerweise unter 1/10 der Wellenlänge bei der Maximalfrequenz. 30 cm reichen für 3 Umdrehungen durch die beliebten 26xx540002 Perl-Ferritkerne von Fair-Rite und unter Berücksichtigung des ~0,7 Geschwindigkeitsfaktors bleibt sie darunter.

Die Wahl des Ferritkerns für den Ausgangstransformator ist der Schlüssel zur Erzielung der besten Leistung. Der erste Prototyp verwendete Fair-Rite 2667540002 Ferritperlen (Material 67) in dem Versuch, den größtmöglichen Arbeitsbereich mit dem besten Wirkungsgrad zu erreichen; dies opfert die Leistung in den unteren Amateurfunkbändern, da unterhalb von 10MHz ein signifikanter Abfall des Wirkungsgrades auftritt. Es wurden auch Laird 28B1020-100-Kerne getestet, die eine relativ ähnliche Leistung wie die Fair-Rite-Kerne aus dem Material 67 aufweisen.

Einige der für dieses Projekt evaluierten Ferritkerne

In der zweiten Ausführung werden 2661540002 Kerne verwendet. Material 61 hat eine höhere Permeabilität als 67 (125 gegen 40) und bietet eine ausreichende Drosselinduktivität bei 1,8 MHz, auch wenn es bei höheren Frequenzen leicht verlustbehaftet werden könnte. Material 43 (850ui) ist ebenfalls ein guter Kandidat und sollte ebenfalls untersucht werden.

Ein auf einem separaten Kern aus 2643540002 (Material 43) aufgebauter 2×2-Gang-Transformator wird zur Versorgung der LDMOS-Drainings mit Gleichspannung verwendet. Dies erwies sich ebenfalls als eine Schlüsselkomponente, da die Leistung unterhalb von 10MHz durch seine Konfiguration beeinflusst wird. Auf den 1:9-Ausgangstransformator folgt eine 1:1-Drossel BalUn, die dafür sorgt, dass der Ausgang keinen Gleichtaktstrom aufweist.

Die Karte ist mit zwei SMA-Anschlüssen ausgestattet, in die eine Bank von Tiefpassfiltern eingesetzt werden kann, um den Oberwellengehalt am Ausgang weiter zu verringern; da dies nicht der Zweck dieses Artikels ist, wird stattdessen ein gerades Verbindungskabel installiert.

Der Ausgang der Verstärkerkarte enthält einen Tandemkoppler, der zur Messung der Ausgangs- und reflektierten Leistung ausgelegt ist. Die Signale werden über eine 7-polige Stiftleiste bereitgestellt, die auch einen Teil der Hauptversorgungsspannung, eine Strommessung (mit einem ACS713-Hallsensor) und eine Temperaturmessung (von einem LM35D-Präzisionstemperatursensor) ausgibt.

48Vdc-Eingang mit Filterung und Stromsensor-IC

Diese Signale können verwendet werden, um die Leistung des Verstärkers zu messen, und können auch dazu verwendet werden, mit Hilfe zusätzlicher Schaltungen eine schnell reagierende Schutzlogik für Überspannung, Überstrom, Überhitzung, Ausgangsfehlanpassung usw. zu implementieren.

Oben sehen Sie das auf Arduino basierende Überwachungs-Tool, das genaue Messungen bietet und während der Entwicklung dieser Schaltung verwendet wurde. Seine Präzision wurde mit mehreren industriellen Geräten verifiziert und, wo nötig, kalibriert.

Die gedruckte Leiterplatte

Bei Hochleistungs-HF-Geräten ist es immer wichtig, eine sehr gute, solide und durchgehende Massefläche zu haben. Da die Quelle des MRF300 mit der Lasche verbunden ist, wird der Kühlkörper als Massefläche verwendet, und die Leiterplatte wurde unter Berücksichtigung dieser Tatsache entworfen; die untere Leiterplattenschicht wird ebenfalls als Massefläche verwendet, da sie großflächig mit dem Kühlkörper in Kontakt kommt.
Wo möglich werden SMD-Bauteile verwendet, um die Streuinduktivität zu minimieren. Die Leistungsleiterbahnen sind dick, um den hohen Strom zu unterstützen, und die HF-Leiterbahnen wurden, wo immer möglich, für die richtige Leiterbahnimpedanz dimensioniert.

Für den Schaltplan- und Leiterplattenentwurf benutze ich KiCAD, das so gut ist, wie es für kostenlose Software erhältlich ist; die von KiCAD erzeugten Dateien können dann an einen Leiterplattenhersteller geschickt werden. Ich habe dafür PCBway verwendet, der Prozess ist so einfach wie das Erstellen eines Kontos und das Hochladen Ihrer Dateien (es gibt eine Kurzanleitung, wie man das macht, falls Sie es noch nicht getan haben). Sie prüfen Ihre Dateien und schicken sie an die Produktion, und wenn Sie sich für die DHL-Lieferung entscheiden, könnten Sie das fertige Produkt in nur wenigen Tagen erhalten. Tipp: Wenn Sie es schaffen, Ihre Leiterplatte unter 100x100mm zu halten, berechnen sie nur 5 US$ für 10 Stück (!). Das ist wahnsinnig günstig für Hobbyisten.

Thermischer Entwurf

Einer der kritischen Punkte bei Transistor-Hochleistungsverstärkern ist, sie kühl zu halten. Das Datenblatt Mean Time To Failure (MTTF) für den MRF300 beträgt etwa 70.000 Stunden bei einem Strom von 8,7 A und einer Sperrschichttemperatur von 175 °C, so dass das Kühlsystem die Transistoren stets unter dieser Temperatur halten muss. Da der thermische Widerstand von Sperrschicht zu Gehäuse 0,55C/W beträgt und wir eine maximale Wärmeabgabe von etwa 200W pro Bauelement erwarten, bedeutet dies, dass die Gehäusetemperatur nicht über 65C steigen kann.

Zwischen den Transistoren und dem Aluminiumkühlkörper wird eine 3 mm dicke Kupferplatte installiert, da Kupfer bessere Wärmeübertragungseigenschaften hat und einen Weg mit geringerem Widerstand für die Wärmeenergie von den beiden winzigen (1,7 Quadratzentimeter) Leistungstransistoren bis zur gesamten Kühlkörperbasis bietet.

Um sicherzustellen, dass wir einen minimalen Widerstand haben, der die Wärme von den Transistoren auf die Kupferplatte überträgt, müssen die Oberflächen perfekt eben und sauber sein, es wird genügend Druck ausgeübt und ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM) verwendet. Normalerweise ist das TIM ein Fett auf Silikonbasis, das hohen Druck erfordert und oft elektrisch isolierend ist; da wir den Kühlkörper auch als Massefläche verwenden, wollen wir, dass der elektrische Kontakt so gut wie möglich ist. Alternativ können einige Transistoren direkt auf die Kupferplatte gelötet werden, aber dies ist ein ziemlich dauerhafter Prozess, erfordert einen speziellen Ofen für die besten Ergebnisse und funktioniert nicht wirklich mit dem TO-247-Gehäuse des MRF300.

Vor der Montage der Transistoren auf den Kühlkörper aufgetragenes Flüssigmetall

Meine Wahl war es, das Beste aus beiden Welten zu verwenden: Metall, aber flüssig. Genauer gesagt, eine eutektische Legierung aus weichen Metallen (Zinn, Gallium und Indium) namens Galinstan. Je nach Mischungsverhältnis ist diese Legierung bei Raumtemperatur flüssig, haftet auf natürliche Weise an anderen Metallen, bietet eine außergewöhnliche thermische und elektrische Leitfähigkeit und erfordert nicht viel Druck, um die beste Leistung zu erzielen. Der Nachteil ist, dass sie teuer ist, Aluminium aggressiv korrodiert und ein wenig schwierig einzudämmen ist. Glücklicherweise kann man es in einigen kommerziellen Geschmacksrichtungen als Computerkühl-TIM finden, das den für die korrekte Anwendung notwendigen Bausatz enthält. Ich habe mich für Thermal Grizzly Conductonaut entschieden, aber ich weiß, dass Coollaboratory Liquid Metal Pro genauso gut ist. Eine völlig unnötige, bessere Option wären reine Indium-Pads (wie die Indium Heat-Spring), aber diese sind für diesen Zweck viel zu teuer und auch ziemlich schwierig zu beschaffen.

Bei einem konservativen Wärmewiderstand von 0,1C/W vom Transistorgehäuse zum Aluminiumkühlkörper und einer Umgebungstemperatur von 30C beträgt der Wärmewiderstand des Kühlkörpers gegenüber Luft 0,0775 C/W (für beide Transistoren insgesamt 400W Verlustleistung). Die Hersteller von Kühlkörpern stellen diese Zahl je nach Luftstrom manchmal als Tabelle zur Verfügung. Mit Hilfe eines Mikrocontrollers können wir eine Lüftersteuerung entwerfen, die die Lüftergeschwindigkeit so regelt, dass sie diesem Diagramm folgt und erst dann 100% erreicht, wenn die Temperatur nahe an den Grenzwert kommt (hier bei 61C für die Aluminiumbasis berechnet). Die thermische Trägheit des Kühlkörpers kann dazu beitragen, plötzliche Schwankungen der Lüftergeschwindigkeit in Schach zu halten, so dass eine größere Kupferbasis nützlich sein könnte.

Die Bearbeitung des Kühlkörpers (und insbesondere der Kupferplatte) ist eine Herausforderung, da Kupfer weich ist und den Bohrer so lange belastet, bis er festsitzt und bricht. Die Tricks bestehen darin, eine Schneidflüssigkeit und eine langsame Geschwindigkeit zu verwenden; Schmalz scheint sehr gut für die Schmierung zu sein, und es macht das Bohren wirklich viel einfacher, die Marke, die ich verwendet habe, ist Monument White Tallow Medium. Das nachträgliche Schneiden der Schraubenlöcher war einfach, es braucht nur Geduld. Ich musste aufpassen, dass der TIM nicht in die Nähe der Bolzen kommt, die die Transistoren festhalten, da diese den Aluminium-Kühlkörpersockel erreichen und dieser korrodieren würde.

Test Setup

Dies ist ein Selbstbauprojekt, daher ist der Testaufbau ziemlich typisch für einen Hobby-Prüfstand. Die meisten Geräte sind nicht von laborähnlicher Präzision, aber immer noch genau genug für den Amateurfunk.

• Power supply: HP ESP120 3kW telecommunications PSU
• PSU for accessories: Daiwa PS-304
• Dummy load: MFJ-264 1.5kW 50ohm with -40dB output port
• Signal source: Xiegu G90 and Xiegu X5105
• Input power & SWR meter: MFJ-929
• Output power & SWR meter: Avair AV-600 (for measurements under 400W)
• Oscilloscope & FFT analyser: Hantek DSO5102P
• Multimeters: Uni-T UT61E, Uni-T UT31C, Amprobe 5XP-A
• VNA: nanoVNA (for testing input & output transformers and matching)

Measurements

Die Ergebnisse wurden in diesen Diagrammen zusammengestellt:

Der Verstärker hat etwas weniger als 600 W (etwa 580 W) bei 3,7 MHz (das 80 m-Band) und arbeitet am effizientesten in den höheren Bändern. Die höchste Ausgangsleistung, die ich gemessen habe, betrug 840W (!) im 10m-Band, aber die Welle war verzerrt und die harmonischen Pegel waren hoch. Bei etwa 750-780W ist der Ausgang immer noch sauber genug, aber es ist fraglich, ob das ein sicherer Betriebsbereich ist.

Ohne den Grenzwert zu überschreiten, sind die Oberwellenpegel ziemlich niedrig und nahe an dem, was die Signalquelle misst. Hier sind zwei Beispiele; beachten Sie, dass die Messung in Spannung erfolgt, so dass die vertikale Skala für die HF-Leistung doppelt so groß ist (20dB/Div statt 10dB/Div).

Abschließend möchte ich sagen, dass ich diese neuen Transistoren für ausgezeichnet halte. Abgesehen von der Leistung habe ich während der Entwicklung dieses Verstärkers dieses Transistorpaar in vielerlei Hinsicht missbraucht, u.a. habe ich sie in kurze und offene Lasten getrieben, sie mit unterdurchschnittlicher Kühlung verwendet und den Drainstrom massiv überschritten. Sie sind immer noch lebendig und gut.