固態機功放激勵偏低引起模塊過熱的機理

□饒秀明

MOSFET 絕大部分時間工作在飽和或截止狀態，線性區工作時間很短。MOSFET 工作在大激勵開關狀態時效率最高，輸出電壓也最高。為了保證功放模塊處于高效狀態，需要提供適當的激勵電壓。在發射機運行過程中，如果激勵電壓偏低將會引起功放模塊損耗變大、溫升過大，導致模塊損壞，這是全固態中波發射機常見的共性故障。

功放電路MOSFET的三個工作區

如圖1(a)所示電路，當激勵電壓很低且峰值達不到開啟電壓時，在整個周期內源漏間沒有電流，輸出回路無信號；當激勵電壓增大并超過開啟電壓但又不能在激勵電壓達到最大值時使管子進入飽和時，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，我們稱這種狀態稱為大激勵開關狀態。

一、截止區。當Ugs＜Vt 時，由于激勵電壓小于開啟電壓，源漏之間沒有電流iD，這個區叫做截止區。管子工作在截止區時，漏間沒有電流且電源電壓全部降在管子的源漏極之間。

二、線性區。當Ugs＞Vt 時，iD產生且隨Ugs的增大而增加，iD隨Ugs的變化近似線性變化，這一區稱線性區。當管子工作在線性區時，無論是漏極電流還是源漏間電壓都不是很小，電源電壓一部分降在負載電阻上，一部分降在源漏極之間。

圖1：工作于大激勵開關狀態的MOSFET的電路、電壓、電流波形圖

三、飽和區。當iD增加到E／RD后，電源電壓幾乎全部降在負載電阻上，盡管Ugs繼續增加，iD卻再也不能增加，這個區域稱為飽和區。當管子工作在飽和區時，管子流過的電流比較大，但管子的飽和電阻很小，故管子的飽和壓降很小。

橋式丁類放大器的效率

橋式丁類功放的效率為：

放大器中有以下五種損耗：

一、由場效應管導通時的RDS（ON）造成的損耗功率。其值為：

式中的N 為橋式功放每臂并聯的場效應管只數。

二、輸出電容充放電電流造成的損耗功率。場效應管DS 兩端有輸出電容，管子截止時輸出電容充電，管子導通時輸出電容放電。充電或放電都會造成損耗。工作頻率愈高，損耗功率愈大。

鐵路建設是集企業利益和社會效益于一體的系統工程，線路方案、車站的選擇涉及企業、社會各方的利益。由于很難兼顧各方的全部意見，選擇推薦合理、可實施的方案，總體除需具備很高的政策水平和很強的業務能力外，還需具備出眾的組織溝通協調能力，特別是要與業主保持良好的溝通，真心實意當好業主的參謀。

三、轉換期間的損耗功率。場效應管兩端的電壓自飽和電壓升高到截止電壓有一定的上升時間。同樣，由截止電壓下降到飽和電壓也存在一定的下降時間，一般來說這兩段時間可視為相等。在電壓上升時間和下降時間內，都要通過管子的線性區，既有漏極電流流過，漏源間電壓又不小，所以有較大的功率損耗，這種損耗叫轉換期間的損耗。電壓上升時間和下降時間越長，損耗功率愈大。工作頻率愈高，損耗功率也愈大。

四、由于場效應管有反向漏電流，也造成了功率損耗，但它和其他損耗相比，可以忽略不計。

五、輸出變壓器的損耗。輸出變壓器的損耗包括磁芯損耗和初、次級繞組的銅損耗。

上述五種損耗功率總和很小，僅使放大器效率下降10%左右，故丁類放大器的效率可達90%左右。

上述各種損耗如果按時段劃分可以分為截止區損耗、飽和區損耗和線性區損耗，線性區損耗的大小取決于激勵電壓的大小。

在截止區里，管子所受的電壓雖高，但源漏間幾乎沒有電流通過，因此管子的熱損耗很小；在飽和區內，管子流過的電流很大，但飽和壓降很小，因此管子的熱損耗也很小；在線性區內，雖然時間特別短，但由于電壓電流都不小，因而管子的熱損耗比較大。如果在線性區工作的時間加長，管子的熱損耗就會變大，功放管的溫度就會升高，長此下去終將導致功放管的損壞。因此，必須保證MOSFET 工作在線性區的時間足夠短。

功放電路MOSFET 三個區的工作時間

圖2 IRF350的轉移特性曲線和開啟和飽和時的輸入輸出波形

已知條件：主整電壓230V，DX-10 數字式調幅中波發射機每個等壓功放的負載阻為76.7 Ω，等壓功放的IRF350 要求激勵電壓為22～25Vp-p，IRF350的轉移特性曲線如圖2(a)所示。

功放的激勵電壓為正弦電壓，可表示為：

我們把IRF350的柵源正弦激勵電壓Ugs由負變正的那一點的角度定義為0°，把柵源激勵電壓上升達到開啟電壓(即Ugs=Vt)的角度稱為θ1，而把柵源電壓上升使漏流剛剛達到飽和時（即iD=E/RD）所對應的激勵電壓的角度稱為θ2。

主整電壓為230V，等壓功放的負載阻抗為76.7Ω，故漏流飽和值為：

從圖2(a)可以看出，開啟電壓Vt為3V，飽和電流為4A 時的柵源激勵電壓Ugs約 為4V。設激勵電壓Ugsm為11.5 (即23Vp-p)計算θ1和θ2。

當激勵電壓為正的180°范圍內，處于截止區域的時間為2×15°=30°，處于線性區的時間為2×△θ=2×5°=10°，而處于飽和區的時間為180°-2×20°=140°。

激勵電壓偏低時，線性區工作時間的變化

設功放管的激勵電壓從23Vp-p降低為16Vp-p時，線性區時間的變化。

當功放的激勵電壓從23Vp-p降低到16Vp-p時，在線性區的時間由10°增至16°，由于工作在線性區損耗大，且時間越長，損耗越大，溫升越高。從減少熱損耗的角度看，激勵電壓大一些損耗就小一些，但是，也不是激勵電壓越大越好，因為柵源極間所加的激勵電壓必須小于該MOSFET的柵源擊穿電壓BVGS。數字式調幅中波發射機使用IRF350 管，激勵電壓在20～25Vp-p，最佳值為21～24Vp-p，低于20Vp-p為欠激，高于25Vp-p為過激。上廣型脈寬機使用IRF250 管，激勵電壓要求在26～32Vp-p之間。

發射機長期運行中功放激勵電壓的大小會因各種因素發生變化，在日常維修過程中，需經常檢查功放激勵電壓的大小，用示波器直接檢查功放的激勵電平的大小，這種方法比較直觀。另一種方法是在停機后立即用紅外線溫度測量器測試功放模塊的溫度，如果溫升異常，須查明原因(激勵偏低是產生該故障的原因之一)。該方法比較簡單易行，但是如果溫升正常，只能說明激勵不偏低，卻不能說明激勵不偏高，最好是兩種辦法配合使用。

1.張丕灶：《全固態PDM 中波發送系統原理與維護》，北京:中國廣播電視出版社，1999：10-12。

2.張丕灶：《全固態中波發送系統調整與維修》，廈門：廈門大學出版社，2007：203。