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문제 정의
- 본 논문에서는 1.25 kW급 LDMOS 4개를 결합하여 수냉식 5 kW 출력의 RF 제너레이터를 설계 및 제작하였다.
제안 방법
- 4개의 전력증폭기는 각각 전원전압 48 V에 대하여 1.25 kW 출력 근방에서 최고 효율을 갖도록 조정하였다. 출력 트랜지스터 드레인에 흐르는 전류의 합은 140 A ( 약 6.
- 개발된 RF 제너레이터는 고효율과 높은 안정성에 초점을 맞춰 설계하였으며, 열 전도도를 개선하기 위하여 동 방열판에 직접 트랜지스터를 납땜하여 고정시켰다.
- 이러한 고출력 제너레이터는 고출력 반도체 소자 내부의 칩에서 열이 집중적으로 발생하므로 이를 효과적으로 냉각시키기 위해서 트랜지스터 바로 아래에 물로 냉각시킬 수 있는 파이프를 삽입하여 열을 방출시킴으로서 효율을 높일 수 있는 방법을 선택하였다[8]. 따라서 각각의 고출력 LDMOS 증폭소자를 먼저 소형 방열판에 직접 납땜하고[9], 이것을 물이 통과하는 파이프를 삽입한 방열판에 고정시키는 방법을 사용하여 전기적 효율을 최대로 얻을 수 있도록 설계하였다.
- 또한 입, 출력에 사용한 분배기와 결합기는 페라이트 토로이덜 코어를 사용한 전송선로 트랜스포머로 구성하였으며[10], 최종 결합된 출력 이후에는 저역통과 필터를 사용하여 고조파 성분과 기생성분을 제거하였다.
- 5 kW 출력을 얻기 위해서 전력증폭기 4개의 출력이 동일 해야만 전력 결합기 내부 저항에서 손실이 최소가 되므로 튜닝 작업이 필요하였다. 또한, 증폭기의 출력은 드레인 전류에 비례하므로 각각의 게이트 바이어스 전압을 조정하여 드레인에 흐르는 직류 전류를 동일하게 조정하였다. 출력 전력을 확인하기 위하여 최종 출력에 30 dB 방향성 결합기를 연결하여 파워미터로 연결하였고 또한, 출력 파형을 관찰하기 위해서 40 dB 방향성결합기를 스펙트럼 분석기에 연결하여 측정하였다.
- 마지막으로 저역통과 필터 출력과 최종 출력 커넥터 사이에 출력과 반사 전력을 검출하여 보호회로를 삽입하기 위한 방향성 결합기를 삽입하여 구성하였다.
- 비통신용 RF 장비인 RF 제너레이터는 통신용 증폭기에서 요구되는 선형성 보다는 고효율과 높은 안정성을 요구하기 때문에 이것에 초점을 맞춰 설계하였으며, 전력 증폭기의 열 전도성을 개선하기 위하여 고전력 LDMOS를 구리 방열판에 직접 납땜하여 고정시켰다. 이러한 방식은 전기적인 접지효 과를 개선시켜줌으로서 효율도 함께 좋아지는 효과를 얻을 수 있다.
- 이 RF 제너레이터는 먼저 드라이브 증폭기와 포화 전력 1.25 kW를 얻을 수 있는 NXP사 LDMOS로 전력증폭기를 설계한 후, 이 출력을 2개 결합하여 2.5 kW를 만들고 결합된 전력을 다시 결합하는 방식으로 5 kW의 출력을 얻었다.
- 이때 설계된 결합기의 출력 마이크로스트립 선로 폭이 너무 좁아 높은 출력을 감당하기 어려워 선로위에 동판을 세워 붙여놓음으로서 출력 전류를 감당하도록 하였다. 이 방향성 결합기로 출력과 반사 전력을 측정하여 보호회로가 동작하도록 하였다.
- 56 MHz의 대역에서는 출력 전력과 반사 전력을 측정하기 위하여 VSWR bridge를 많이 사용하나 본 논문에서는 보다 정확한 전력측정을 위하여 듀얼 방향성 결합기를 PCB 위에 제작하였다. 이때 설계된 결합기의 출력 마이크로스트립 선로 폭이 너무 좁아 높은 출력을 감당하기 어려워 선로위에 동판을 세워 붙여놓음으로서 출력 전류를 감당하도록 하였다. 이 방향성 결합기로 출력과 반사 전력을 측정하여 보호회로가 동작하도록 하였다.
- 고출력 AB급 푸시풀 증폭기 회로는 LDMOS 제조사에서 제공하는 회로를 참조하여 제작하였다. 이때, 직류전원은 출력 트랜스포머의 센터 탭을 통하여 인가되며, 출력 정합회로에는 페라이트 코어 트랜스포머를 사용하였고, 코아를 이용한 트랜스포머에서 발생되는 유도성 성분을 보완하기 위하여 외부에 커패시터로 공진시켜 특성을 보완한다. 이때 사용된 커패시터는 두개의 드레인 사이에 연결하여 고조파 성분을 제거하는 역할을 겸하며, 정합특성 개선은 트랜스포머 뒤에 LC회로를 추가하여 조정하였다.
- 이러한 고출력 제너레이터는 고출력 반도체 소자 내부의 칩에서 열이 집중적으로 발생하므로 이를 효과적으로 냉각시키기 위해서 트랜지스터 바로 아래에 물로 냉각시킬 수 있는 파이프를 삽입하여 열을 방출시킴으로서 효율을 높일 수 있는 방법을 선택하였다[8]. 따라서 각각의 고출력 LDMOS 증폭소자를 먼저 소형 방열판에 직접 납땜하고[9], 이것을 물이 통과하는 파이프를 삽입한 방열판에 고정시키는 방법을 사용하여 전기적 효율을 최대로 얻을 수 있도록 설계하였다.
- 이를 다시 50 Ω으로 정합을 시켜야하는데, 본 논문에서는 증폭기 출력 뒤에 연결되는 저역통과 필터의 입력 임피던스를 12.5 Ω, 출력 임피던스를 50 Ω으로 설계하여 정합시켰다.
- 일반적인 장비의 경우 13.56 MHz의 대역에서는 출력 전력과 반사 전력을 측정하기 위하여 VSWR bridge를 많이 사용하나 본 논문에서는 보다 정확한 전력측정을 위하여 듀얼 방향성 결합기를 PCB 위에 제작하였다. 이때 설계된 결합기의 출력 마이크로스트립 선로 폭이 너무 좁아 높은 출력을 감당하기 어려워 선로위에 동판을 세워 붙여놓음으로서 출력 전류를 감당하도록 하였다.
- 제너레이터의 출력을 얻기 위한 고전력 트랜지스터는 NXP사 LDMOS인 MRFE6VP61K25H를 이용하여 1.25 kW 전력증폭기를 설계하였다. 이 트랜지스터를 구동하는 입력 전력은 최종 트랜지스터의 이득이 26 dB를 가정하면 3~4 W 정도가 필요하며, 4개로 구성된 증폭기를 구동하기 위해서는 출력이 20 W 이상이 요구된다.
- 또한, 증폭기의 출력은 드레인 전류에 비례하므로 각각의 게이트 바이어스 전압을 조정하여 드레인에 흐르는 직류 전류를 동일하게 조정하였다. 출력 전력을 확인하기 위하여 최종 출력에 30 dB 방향성 결합기를 연결하여 파워미터로 연결하였고 또한, 출력 파형을 관찰하기 위해서 40 dB 방향성결합기를 스펙트럼 분석기에 연결하여 측정하였다.
- 출력을 감시하는 방향성 결합기, 저역통과 필터등을 설계 하여 5 kW에서 79 %의 효율을 갖는 13.56 MHz ISM대역의 RF 제너레이터를 개발하였다.
대상 데이터
- 고출력 AB급 푸시풀 증폭기 회로는 LDMOS 제조사에서 제공하는 회로를 참조하여 제작하였다. 이때, 직류전원은 출력 트랜스포머의 센터 탭을 통하여 인가되며, 출력 정합회로에는 페라이트 코어 트랜스포머를 사용하였고, 코아를 이용한 트랜스포머에서 발생되는 유도성 성분을 보완하기 위하여 외부에 커패시터로 공진시켜 특성을 보완한다.
- 결합단자에서 신호가 들어와 동일 출력으로 나눠지는 경우나 동일 입력이 들어와 결합하는 경우 모두 코어에는 자력선이 발생하지 않으므로 코어의 손실은 중요하지 않다. 따라서 전송선로 전력결합기용 코어는 투자율이 큰 #61 재질을 사용하였다[11]. 이 때 4 개의 고출력 증폭기 출력은 진폭과 위상이 서로 조금씩 다르기 때문에 미세한 조정 없이 서로 연결하면 내부 100 Ω 저항에서 많은 열이 발생할 수 있으므로 방열에 특히 주의하였다.
- 이 트랜지스터를 구동하는 입력 전력은 최종 트랜지스터의 이득이 26 dB를 가정하면 3~4 W 정도가 필요하며, 4개로 구성된 증폭기를 구동하기 위해서는 출력이 20 W 이상이 요구된다. 따라서 최종 트랜지스터를 구동하는 드라이버 단으로는 25 W급 MRFE6VS25를 사용하였다.
- 본 연구는 고주파 고전력을 필요로 하는 플라즈마 방전용 [3]이나 무선 전력전송 [4-7] 등에서 사용이 가능한 13.56 MHz의 5 kW RF 제너레이터를 설계, 제작한 내용이다.
- 개방되는 극한 상황에 대해서도 정상적으로 동작하여야 한 다. 본 연구에 사용된 LDMOS는 VSWR 65:1의 부하에서도 견디는 Rugged 소자이지만, 개방이나 단락 상태에서의 큰 반사전력이 발생하는 경우 엄청난 열이 트랜지스터에서 발생하므로, 최대한 빨리 방열시키고 바로 출력을 차단하는 보호 회로를 설치하였다.
- 증폭기의 드레인에 연결되는 출력 트랜스포머는 RF 출력 과 40 A 정도의 큰 직류가 함께 흐르므로, 포화 자속이 매우 크고 손실이 작은 재질을 택하여야만 열 발생량을 줄일 수 있다. 본 연구에는 Fair-Rite 사의 #67 재질을 선택하였으며, 이 재질의 특성은 #61 보다 투자율은 작으나 손실이 훨씬 작은 특성을 갖고 있다.
성능/효과
- 13.56 MHz 신호 파형을 측정하는 경우 접지선을 가능한 한 짧게 하여 오실로스코프 프루브의 커패시터스 영향을 최소화 하였다. 고출력의 경우에서 측정할 때에는 커패시턴스의 영향으로 전력이 누수되면서 프루브 또는 계측기가 영향을 받을 수 있다.
- 이때 삽입손실은 측정결과 약 0.2 ~ 0.3 dB가 측정되었지만 실제 증폭기의 출력 5 kW 이상의 고출력이 통과하면 코어의 자기포화에 의한 열 손실과 코일의 표피효과에 의해 더 큰 손실이 만들어짐을 알 수 있었다.
- 증폭기의 출력은 단일소자에서 약 1.4 kW를 얻었으며, 이것을 4개를 연결할 경우 발생되는 손실을 고려해도 충분히 5 kW 출력을 얻을 수 있었다.
후속연구
- 이렇게 개발된 RF 제너레이터는 반도체 식각 장비에 적용할 수 있으며 향후 더 높은 출력의 전력증폭기 개발에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
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