Les avancées dans la génération de radiofréquence ont conduit à des conceptions innovantes transformant les applications dans la région inférieure à 100 MHz. Cet article examine une nouvelle topologie de circuit pour ces applications.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec les Systèmes de Pouvoir de Bodo.
Les avancées dans la génération de radiofréquence (RF) ont conduit à des conceptions innovantes transformant les applications dans la région inférieure à 100 MHz. Parmi celles-ci, les générateurs RF auto-oscillants de classe E à haute efficacité se distinguent par leur simplicité, leur robustesse et leurs performances remarquables, tirant parti des transistors en nitrure de gallium (GaN). Ces générateurs peuvent atteindre des rendements supérieurs à 95 % avec des tensions de sortie de plusieurs kV allant de quelques watts jusqu’à 1 kW, selon l’application.
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Les générateurs de classe E auto-oscillants sont idéaux pour générer des signaux RF haute tension de manière efficace dans des applications où la fréquence d’oscillation précise est moins critique, car ils éliminent le besoin de sources de signaux externes ou de contrôles stricts de fréquence. Les conceptions auto-oscillantes bénéficient également d’un accord automatique aux petites variations des paramètres du circuit résonant, les rendant résilientes aux tolérances des composants et aux variations environnementales. En mettant en œuvre l’auto-oscillation dans une étape de pilote de classe E active par GaN, ainsi qu’avec des pilotes GaN, cette conception améliore encore l’efficacité grâce aux caractéristiques de commutation supérieures des dispositifs GaN. De plus, un circuit de démarrage augmente la fiabilité en garantissant que l’oscillation démarre correctement au démarrage du circuit.
Conception et fonctionnement
La figure 1 montre un générateur de classe E auto-oscillant fonctionnant à 13,56 MHz. Cette conception utilise des FET GaN pour atteindre une efficacité de plus de 95 % tout en générant des tensions de sortie de plusieurs kV, ce qui la rend adaptée à des applications telles que le chauffage diélectrique, les pièges à ions et les lasers RF utilisés dans les secteurs industriel, scientifique et médical.
Figure 1. Générateur de classe E auto-oscillant fonctionnant à 13,56 MHz. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Démarrage initial et oscillation
Lorsque le circuit est alimenté pour la première fois, Vstart fournit le signal initial pour lancer le processus d’oscillation. Vstart est un oscillateur fonctionnant à une fréquence proche de la fréquence de fonctionnement prévue de l’étage de classe E (13,56 MHz). Sa sortie est couplée par le biais de la résistance R9 à l’entrée du pilote de porte U1 (LMG1025).
Le pilote de porte entraîne la porte de Q1 (FET GaN EPC2307), provoquant son commutement à la fréquence Vstart. Lorsque Q1 s’active et se désactive, il entraîne le circuit résonant formé par L2 et C6. C11 agit comme le condensateur en shunt typique dans une configuration de classe E, façonnant la forme d’onde de tension. Le circuit résonant accumule de l’énergie, et l’amplitude de la tension CA au nœud reliant L2, C6, RL et C3 augmente, produisant une forme d’onde quasi sinusoïdale.
Mécanisme de rétroaction et d’auto-oscillation
Le signal CA du circuit résonant est capté par le condensateur C3 et envoyé à l’entrée positive du comparateur U2 (TLV3601). La résistance R4 et le condensateur C2 forment un diviseur de tension et fournissent un biais DC. L’entrée négative du comparateur est connectée à une tension de référence DC (VCC3).
Lorsque l’amplitude CA est suffisante, U2 bascule sa sortie en phase avec le signal CA, suivant la fréquence initiale Vstart. La sortie du comparateur charge le circuit de détection de pic composé de C4, R7, D1, D2, R6 et C5. Une fois que la tension à travers C5 atteint un seuil (par exemple, 1 V), cela déclenche SW1 pour arrêter le signal Vstart, permettant au circuit de passer en mode d’auto-oscillation.
Auto-oscillation et fonctionnement à l’état stable
En mode d’auto-oscillation, U2 continue d’entraîner U1 en utilisant la rétroaction du circuit résonant. La fréquence d’auto-oscillation est déterminée principalement par L2 et C6, se stabilisant à environ 13,56 MHz dans cette conception particulière. Le circuit est soigneusement réglé pour rester dans la région de fonctionnement de la classe E, assurant une haute efficacité en minimisant le chevauchement entre la tension et le courant pendant la commutation de Q1.
Perspectives de performance
Les figures 2 et 3 fournissent d’autres informations. La figure 2 montre les formes d’onde de tension de drain et de porte du FET GaN, confirmant l’opération de classe E alors que le FET s’enclenche lorsque la tension de drain atteint zéro, minimisant la dissipation de puissance pendant les transitions. La figure 3 illustre l’accumulation d’amplitude sur la charge après l’alimentation du circuit, démontrant un transfert d’énergie efficace et une atteinte rapide des oscillations à l’état stable.
Figure 2. Les formes d’onde de tension de drain et de porte confirment l’opération de classe E. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Tension de sortie et efficacité
Au point de fonctionnement optimal, la tension de sortie à travers RL est d’environ 2,75 kV RMS, avec une dissipation de puissance de 75,5 W sur RL. L’efficacité simulée est de plus de 95 %. Cependant, l’efficacité mesurée dans les mises en œuvre pratiques tend à être légèrement inférieure en raison de facteurs tels que les imperfections des composants, les éléments parasites et les pertes supplémentaires du circuit qui ne sont pas prises en compte dans la simulation. Avec un réglage et une optimisation supplémentaires, ce circuit peut être adapté au chauffage diélectrique, aux pièges à ions ou aux applications de laser RF.
Gestion du dérive des composants et des variations de charge
Le circuit résonant à haute qualité est sensible aux petites variations des composants L2 et C6, influençant l’amplitude de sortie et l’efficacité ; et les écarts de charge par rapport à la cible (par exemple, 100 kΩ) peuvent également entraîner une réduction de l’efficacité et un potentiel de surchauffe du FET GaN.
Les techniques d’auto-réglage, telles que l’utilisation de la capacité ajustable contrôlée par tension dans les condensateurs de shunt et de tank via des MOSFETs, peuvent résoudre ces problèmes. Des mécanismes de contrôle adaptatif peuvent ajuster les paramètres du circuit en temps réel pour aider à maintenir des performances optimales malgré les dérives de composants ou les changements de charge.
Figure 3. L’amplitude s’accumule sur la charge après l’alimentation du circuit. Image utilisée avec la courtoisie de Bodo’s Power Systems []
Transformer les industries avec la puissance RF
Les innovations dans les générateurs RF auto-oscillants de classe E font partie d’une tendance plus large impactant divers domaines dans la région inférieure à 100 MHz. Par exemple, l’énergie RF alimente le chauffage diélectrique pour le séchage et la durcissement des plastiques, ainsi que pour la cuisson des aliments et l’alimentation des lasers RF (par exemple, CO2) pour la découpe, le soudage et la gravure de précision. La fabrication de semi-conducteurs utilise un plasma alimenté par RF pour graver et déposer des matériaux à des échelles micro et nano. Les systèmes RF sont également indispensables dans les accélérateurs de particules, les pièges à ions de spectrométrie de masse et les traitements médicaux tels que l’ablation RF pour détruire les cellules cancéreuses ou corriger les arythmies cardiaques par des procédures peu invasives.
RF à l’état solide et efficacité non linéaire
La transition des systèmes à tubes à vide vers la technologie à état solide a révolutionné la génération RF. Les FET GaN offrent une efficacité accrue, une réduction de la chaleur et des conceptions plus petites et plus fiables. Les systèmes à état solide prolongent également la durée de vie et réduisent les coûts d’exploitation, et les avancées récentes leur permettent désormais de gérer des niveaux de puissance qui étaient auparavant réservés aux systèmes à tubes. Faire fonctionner des dispositifs actifs en tant qu’interrupteurs conduit à une efficacité plus élevée mais à une linéarité réduite, ce qui est un compromis acceptable dans de nombreuses applications RF où une amplification linéaire précise n’est pas requise.
Les générateurs de classe E peuvent atteindre des rendements compris entre 85 % et 95 % et offrent des conceptions simples, les rendant bien adaptés pour le chauffage RF et la génération de plasma. Les générateurs de classe F peuvent théoriquement dépasser 90 % d’efficacité et sont adaptés à une sortie de haute puissance à des fréquences RF où la linéarité est moins critique. Les générateurs à demi-pont de classe D sont fréquemment utilisés à des fréquences comme 13,56 MHz dans le chauffage RF industriel et la génération de plasma, mais deviennent moins efficaces à des fréquences plus élevées en raison des pertes de commutation accrues.
Générateurs RF de classe E auto-oscillants à haute efficacité
Le développement de générateurs RF auto-oscillants de classe E à haute efficacité transforme les applications dans la région inférieure à 100 MHz. En exploitant les avantages de la technologie GaN et des approches de conception innovantes, ces générateurs peuvent offrir des performances exceptionnelles. Leur capacité à générer efficacement et de manière fiable une énergie RF haute tension contribuera à ouvrir des possibilités nouvelles significatives et à renforcer les technologies existantes dans plusieurs secteurs.
Avant de mettre en œuvre ces systèmes, il est conseillé aux lecteurs de consulter des ouvrages d’ingénierie détaillés et des ressources techniques pour aborder tout défi de conception spécifique et considérations de sécurité.
Cet article est paru à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [].