全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)射頻功放電路分析與故障剖析

丁蘭蘭福建省廣播電視傳輸發(fā)射中心401臺，福建泉州　　362000

全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)射頻功放電路分析與故障剖析

丁蘭蘭
福建省廣播電視傳輸發(fā)射中心401臺，福建泉州362000

摘要中波廣播使用的固態(tài)機(jī)的功放模塊是發(fā)射機(jī)中非常重要的部分，工作在大激勵開關(guān)狀態(tài)，周期性地工作于截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)，本文通過分析全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)射頻功放電路以及高頻部分的電路，結(jié)合故障現(xiàn)象分析因激勵變化引起的一系列問題。

關(guān)鍵詞MOSFET管；橋式功放；飽和區(qū)；截止區(qū)

我臺的使用的全固態(tài)發(fā)射機(jī)的射頻功放管都是MOSFET管，MOSFET管工作在開關(guān)狀態(tài)時效率最高，輸出電壓也最高，在這種的工作狀態(tài)下的MOSFET管絕大部分時間都工作在飽和或者截止?fàn)顟B(tài)，只有很短的時間工作在線性區(qū)。對于MOSFET管的工作方式我們做下面的分析。

1 射頻功放電路MOSFET的三個工作區(qū)

激勵開關(guān)狀態(tài)的MOSFET的基本電路如圖1（a），圖1（b）是激勵電壓和輸出電壓、電流波形圖。如果功放電源的電壓值為E，電路的負(fù)載是純電阻RD，激勵信號是正弦信號并且足夠大，在柵極激勵電壓從0逐步向正方向變化時，MOSFET將經(jīng)過三個工作區(qū)。

1.1截止區(qū)

1.2線性區(qū)

1.3飽和區(qū)

當(dāng)iD增加到后，電源電壓幾乎全部降在負(fù)載電阻上，盡管繼續(xù)增加，iD卻再也不能增加，這個區(qū)域稱為飽和區(qū)，當(dāng)管子工作在飽和區(qū)時，雖然管子流過的電流比較大，但由于管子的飽和電阻很小，如IRF350管的正向?qū)娮鑳H為0.3Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于功放電路的負(fù)載電阻，管子的飽和壓降很小。

這可以這樣理解，當(dāng)激勵電壓為正且不斷增大時，管子經(jīng)歷了截止、線性和飽和三個工作區(qū)，同樣，當(dāng)激勵電壓達(dá)到峰值后由大向小變化時，管子也要經(jīng)歷飽和、線性和截止三個工作。

同樣都是圖1（a）所示電路，當(dāng)激勵電壓很低且峰值達(dá)不到開啟電壓時，在整個周期內(nèi)源漏間沒有電流，輸出回路無信號；當(dāng)激勵電壓增大并超過開啟電壓但又不能在激勵電壓達(dá)到最大值時使管子進(jìn)入飽和時，漏極電流為正弦脈沖，隨著激勵的增大，漏極電流由正弦脈沖變成平頂正弦脈沖，而當(dāng)激勵足夠大時，漏流脈沖才近似于矩形脈沖，我們稱這種狀態(tài)稱為大激勵開關(guān)狀態(tài)，數(shù)字式調(diào)幅中波發(fā)射機(jī)和脈寬機(jī)的射頻功放模塊使用的都是橋式功放，他們都工作在大激勵開關(guān)狀態(tài)，控制場效應(yīng)管工作于開關(guān)狀態(tài)的激勵電壓波形可以是正弦波，也可以是方波。其電路有也有兩種型式，一種是電流開關(guān)型，另一種是電壓開關(guān)型，中波固態(tài)機(jī)通常采用電壓開關(guān)型電路，其電路又有兩種，一種是半橋式電路，另一種是全橋式電路。中波固態(tài)化丁類功率放大器都是采用電壓開關(guān)型全橋式功率放大電路。其電路雖與圖1（a）不同，但三個工作區(qū)域及工作原理完全相同，不再贅述。

2 中波固態(tài)發(fā)射機(jī)射頻功放效率分析

在理想情況下，場效應(yīng)管丁類放大器的效率應(yīng)達(dá)到100%，而實際只能做到90%左右，丁類橋式功放工作在開關(guān)狀態(tài)，但它又不同于一般的脈沖放大器，它的控制柵輸入信號是正弦波，左右兩部分源漏極間的負(fù)載是LC調(diào)諧電路，因此對基波而言，把合成變壓器次級回路等效到初級，簡化電路如圖2所示。

圖中RDS1＝RDS2＝RDS3＝RDS4，分別是4個場效應(yīng)管飽和導(dǎo)通時的內(nèi)阻，r為電容器和變壓器的損耗電阻，令R＝2RDS＋r，ZL＝RL＋jXL為負(fù)載等效到初級的阻抗，總負(fù)荷為R＋ZL。

橋式功放的合成變壓器的初級電壓為一方波，將它進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，其基波分量只有奇次諧波，沒有偶次諧波分量，而且基波的振幅最大，振幅為：

當(dāng)回路串聯(lián)諧振于工作頻率時，負(fù)載里流過的高次諧波電流很小，RL兩端的電壓不是矩形波，而是接近于正弦波并且和電壓矩形波同相，負(fù)載電流的振幅為：

負(fù)載上所獲得功率為：

電源里流過的電流其直流分量為：

電源輸出的功率：

橋式功放的效率為：

當(dāng)電路處于和諧振狀態(tài)時：

由此可見，當(dāng)電路處于此諧振狀態(tài)時，效率最高，管子飽和時電阻RDS越小（即飽和電壓越?。?，回路損耗越小，效率越高，由于多方面因素的影響，全固態(tài)機(jī)功放電路整體的效率通常為90%左右[1]。

為了加大每個橋路的輸出功率，丁類橋式功放的每臂的管子往往并聯(lián)使用，將管子源極直接相連，漏極也直接相連，全固態(tài)化的功率放大器，為了維修方便，做成模塊形式，即一組功率放大器為一模塊。

3 故障案例分析

1）故障現(xiàn)象：機(jī)器遭受強(qiáng)雷擊，發(fā)射機(jī)掉功率之后無法開機(jī)。

故障處理：首先排查保險絲，經(jīng)查，功放級4個10A保險絲均已燒斷，功放場效應(yīng)管大多擊穿，換新品IRF250管和保險絲后試機(jī)時，能開機(jī)，但推動電流明顯變大至80以上，經(jīng)逐個試驗小盒，發(fā)現(xiàn)有一個小盒裝上后會使推動電流變大，詳細(xì)檢查該小盒，發(fā)現(xiàn)有4個功放管的柵極防震電阻的阻值已變，分別由4.7Ω增大至10Ω、25Ω和180Ω等，更換新品電阻后，上機(jī)試用，此時推動電流已降至63，為正常值范圍。證明推動電流明顯變大是由于這幾個柵極防震電阻阻值的改變造成的。

故障分析：由于射頻功放小盒內(nèi)的柵極防震電阻阻值的改變造成推動電流變大，今后凡遇上類似故障現(xiàn)象時，應(yīng)重點(diǎn)檢查各管的柵極防震電阻阻值或G、S間的限幅二極管的好壞。

2）故障現(xiàn)象：在發(fā)射機(jī)運(yùn)行過程中，我臺的發(fā)射機(jī)溫度檢測系統(tǒng)，檢測到功放管的溫度高，調(diào)制電流也變大。

故障分析：該固態(tài)發(fā)射機(jī)的調(diào)諧回路是中放與射頻功放之間的電路，射頻功放需要28Vpp的正弦波由此該電路獲得，數(shù)字式調(diào)幅中波發(fā)射機(jī)使用IRF350管，激勵電壓在20～25VP-P都可正常工作，最佳值為21～24VP-P，低于20VP-P為欠激，高于25VP-P為過激。上廣型脈寬機(jī)使用IRRF250管，激勵電壓要求在26～32之間[2]。通過測量發(fā)現(xiàn)激勵信號偏低，通過微調(diào)調(diào)諧振回路的L2來使激勵電壓在合理的區(qū)間。

4 結(jié)論

發(fā)射機(jī)的故障有多種可能，每次檢修后都要記錄總結(jié)，給每一部發(fā)射機(jī)列一張表，才能對機(jī)器的變化了然于心，在出現(xiàn)故障后才能針對性的診斷。發(fā)射機(jī)使用的MOSFET管是一很精密的器件，它的保存、使用、測量、拆卸都要小心謹(jǐn)慎，以免擴(kuò)大故障，給后繼的維修工作帶來麻煩。

參考文獻(xiàn)

[1]張丕灶.全固態(tài)PDM中波發(fā)送系統(tǒng)原理與維護(hù).北京：中國廣播電視出版社，1999：10-12.

[2]TS 3KW全固態(tài)PDM中波廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)說明書.上海明珠廣播電視科技有限公司.

作者簡介：丁蘭蘭，助理工程師

中圖分類號G2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2015）140-0091-02