全固态电视发射机大功率场效应管的维护

一 全固态功率放大器场效应管放大电路分析

   本功率放大器增益为60dB，当输入信号为2dBm时，输出1.6KW。为确保功率放大器的线性指标，其前级预防单元工作于甲类放大状态，而从功率输出能力和效率角度考虑，其后级功放管（BLF278）工作在甲乙类线性放大状态。由图一可见，其中功放管BLF278为场效应管，它与一对平衡/不平衡网络构成了推挽功率合成电路；然后采用3dB耦和器和两路BLF278组成正交合成宽放电路，这个单元输出功率为600W；输入功率分配器和输出功率合成器为同相功分和功合网络，实现信号的分配和合成功能，将三路600W放大单元合成1600W峰值功率输出。

+50V

+12V

射频输入

C22

C21

C35

R9

R12

C39

C15

R7

R13

C20

R15

L5

L6

C18

L7

L8

L9

L10

C17

C19

R8

C16

C38

R10

R11

C13

R1

R2

R6

C12

R3

R4

R5

C14

A

A

Q1

L1

C44

C43

+

+

+

+

La

Lc

Ld

Lb

C5

C6

C7

C4

C37

C8

C3

C2

C9

L4

L3

C1

C33

C32

C31

C10

C11

C25

C26

C27

射频输出

        图一 全固态功率放大器场效应管放大电路原理图

作为功率放大器中放大环节，其放大单元选用PHILIPS公司的BLF278，该管为双管芯平衡封装结构，其与不平衡/平衡输入、平衡式输入匹配网络、平衡式输出匹配网络和平衡/不平衡输出组成推挽功率合成电路。 

l     平衡输入和输出网络

作为平衡/不平衡和不平衡/平衡网络，通常其不平衡口一端接地，连接阻抗为50Ω，平衡端口两端以地电位为中心电位，两端对地具有相等的高频阻抗。如图二所示，其中传输线L₅、L₆实现不平衡/平衡输入，为对称MOS功放管  Q₁（BLF278），提供幅度相等、相位相反的激励信号；L₃、L₄实现平衡/不平衡输出，将Q₁输出信号功率合成。在工程实现上，上述网络采用硬同轴结构，工作原理与半波振子天线阻抗变换U型环相同。

l     平衡式输入匹配网络

该网络由传输线L₇、L₈、L₉、L₁₀与C₁₈、C₃₆、C₁₃以及空间分布电容和Q₁输入电容构成Π网络，其主要作用实现阻抗变换，与Q₁的输入阻抗相匹配，以满足在工作频带内的能量传输要求。

l     平衡式输出匹配网络

复合平衡管Q₁构成全对称AB类功率放大器，其输出网络由传输线L₁、L_A、L_B、L_C、L_D、C₇-C₃₇相应的空间分布电容构成，其中L₁与Q₁输出电容及电路分布电容构成设计频带内的等效并联谐振网络；L_A、L_B、C₇、C₆、C₅、C₄、C₃₇以及相关元件分布电容组成Π型网络；L_C 、L_D、C₈、C₉构成串联谐振回路。可见其作用不仅实现Q₁与负载间阻抗匹配，而且具有带通滤波器的作用，并实现放大器与负载间阻抗匹配。采用传输线结构的Π型网络本身具有阻抗变换功能，而且形成低通滤波器覆盖整个工作频带，与并联谐振回路和串联谐振回路组合，构成所需的通带特性，通过合理调整该混合网络的LC参数，可使Q₁输出与其负载满足匹配条件，使能量转移效率达到最佳。

二 场效应管BLF278工作特性

目前全固态功率放大器大多采用金属氧化物半导体场效应管即MOS—FET(Metai oxide semiconductor field effect transistor)。它是一种通过表面静电感应来控制沟道电导的电压控制器件，与双极性晶体管相比具有以下优点。

1)      当栅源电压固定时，MOSFET的漏极电流温度系数是负的，即在其它条件不变的情况下，该管子的输出功率；随温度的升高而下降，使MOS—FET从原理上消除了热不稳定性二次击穿的问题，另一方面使MOSFET可以采用多级并联的结构以获得很大的功率输出。

2)      在MOSFET中，载流子能以饱和漂移速度通过全部沟道长度时，MOSFET的跨导是不随栅源电压变化的恒定值，可以获得线性功率放大。

3)      MOSFET输入阻抗高，是电压控制器件，这使输入电路的功耗大大减小，有助于控制并实现最大功率。

4)      MOSFET功率器件的结稳较高，总耗散功率大，漏源工作电压可高达100V以上，这对于大功率状态下工作的管子尤为有利。

5)      MOSFET功率开关器件具有较快的开关速度。

     金属氧化物半导体场效应管按工作方式分为增强型和耗尽型两类，而每类有分为N沟道和P沟道。N沟道的场效应管的衬底为P型材料，增强型的MOSFET的栅偏压为正，耗尽型的栅偏压为负。

    在全固态电视发射机中，其高频功率放大器的功放管多采用的是N沟道增强型的MOSFET，其最大的特点是利用严格控制扩散结深的方法来控制沟道长度，以提高它的高频特性。

1 、MOSFET的工作原理

    N沟道增强型MOSFET在工作时，其栅源电压V_GS和漏源电压V_DS均为正向电压。

当栅源电压V_GS=0时（或<0时），虽然漏源电压V_DS为正，但电流不能导通，故漏极电流I_D=0，MOSFET处于截止状态。

    当栅源电压V_GS>0时，并且V_GS>V_T（V_T为MOSFET的开启电压），加上漏源电压V_DS后就会产生漏极电流I_D，且V_GS越大，I_D也就越大，实现了V_GS对I_D的控制作用。

2 、MOSFET的工作特性

    N沟道增强型MOSFET常采用共源连接方式，其源极与衬底连接并接地，电路如图二所示。

G

S

D

VGS

VDS

 

           图二 N沟道增强型MOSFET电路结构图

    其输出特性曲线分为3个工作区：可调电阻区、饱和区和雪崩区。各工作区的特点如下：

l               可调电阻区。漏极电流I_D随V_DS的变化近似于线性变化，所以又称为线性区。

l               饱和区。漏极电流I_D几乎不随V_DS变化，但当V_GS增大时，由于沟道电阻减小，其饱和电流值也相应增大，所以饱和区为MOSFET的线性放大区。

l               雪崩区。又称为击穿区，当V_DS大于某一电压时，漏极与衬底的PN结发生反向击穿，I_D就急剧增加，特性曲线进入雪崩区，在调整放大器时，应避免工作在击穿区。

3  、BLF278技术参数

1)      BLF278外形及参数

如图三所示为BLF278的外形和电路符号，其中1、2为漏极D1、D2，3、4为栅极G1、G2，5为源极S，这是一个双推挽N沟道增强型MOSFET功放管。把特性完全相同的两个管芯封装在同一个底座上，专门用作推挽功率放大，提高输出功率，两个管子的源极是通过底座连接在一起的。

其特点如下：它为电压控制器件，功率增益高；具有负的温度系数，温度稳定性好；栅—漏极的反馈电容小，设计和调整方便；输入、输出阻抗高，容易实现宽带匹配；效率高达80%；镀金层的电极，保证安全可靠。

表1—1、表1—2和表1—3为BLF278的参数。

1

2

3

4

5

5

G1

G2

D1

D2

S

 

           图三  BLF278外形图和电路符号

表1—1  BLF278的极限参数

表1—2  BLF278的特性参数

表1—3  BLF278的RF性能数据（推挽共源连接，25°C条件下）

4 、大功率MOSFET的使用

大功率MOSFET管具有热稳定性好、抗负载失配能力强，为电压控制器件，以栅极电压V_GS控制漏极电流，正向跨导大，控制能力较强。由于输入阻抗高，栅极的电流很小，所以要求激励功率小，功率增益高；但也由于输入阻抗很高，使得栅极感应的电荷不易泄放，由此产生较高的感应电压，造成栅极的绝缘层容易被击穿而损坏，所以在使用和保存上述器件时应特别注意。

1)      存放和使用

        由于MOSFET器件的栅极极易受静电而损坏，所以应存放在防静电的包装袋内，或在各极短路的情况下保存。在取用和安装过程中，需要用手去拿器件时，必须带上手套和静电泄放腕带，把人体上积聚的静电放掉，以免静电损坏管子。尤其在冬天干燥的季节，衣着物因摩擦极易感应静电，应特别注意。

        安装新管子或是更换时，应先把器件安装在散热片上，将源极与地良好接触，然后用防静电烙铁或者拔掉电烙铁的电源插头焊接，每次焊接时间最好不超过5秒，以保证安装的新管子不被损坏。

       还有一点应注意，BLF278管子内部都含有氧化铍陶瓷。由于这种材料的散热效果特别好而被采用，但氧化铍本身是一种剧毒物质，使用者应特别注意，切勿用手直接触摸，更换下的坏管子也不可随意丢弃，应妥善地保管和处理，以防发生人身以外。

2)      MOSFET的简单测量法

       BLF278的栅源门限电压在2—4.5V之间，而栅源的极限电压为±20V，漏源之间在导通状态下的直流电阻R_DS=0.2—0.3Ω,接近于0Ω。利用这一特点，在测量管子时选用MF500型万用表，它的×10k电阻档内部接有9V电池，正端为红表笔与电池的负极连接，负端为黑表笔接电池的正极，测量时应先检查表笔是否在正确位置。下面介绍测量方法：

l        正向导通测量：BLF278的管脚位置见图1.4所示，首先将红表笔接在源极S上，黑表笔接在栅极G上，此时栅源间的电阻很大，表头指示不动，栅、源间的输入电容被正向充电，栅极为正电压，漏、源应该导通，这时红表笔不动，将黑表笔接在漏极D上，表头指示为0Ω，说明漏源导通。

l        反向夹断测量：将黑表笔接源极S上，红表笔接栅极G上，由于电阻很大表头指示不动，栅、源间输入电容被反向充电，栅极为负电压，漏、源被截止。这时将红表笔接源极S上，将黑表笔接漏极D上，表头指示不动电阻很大，说明管子被夹断。

通过上述的测量，我们可以判断功放管是否良好，在调试和维修功放时， 如  果要测量管子，可不必焊下来，只将周围影响测量的元件挑开后即可进行。

   同时，场效应管对于供电电源系统有具体要求，供电电源要求保护功能完善，过压保护为保护场效应管，要求保护阀值准确；VHF MOS-FET功放的工作电压较高，为进一步提高效率，一般采用开关控制稳压电路与整流电路串联输出的稳压方式；为防止来自电网的由雷电感应或其他原因产生的高压浪涌电压损坏场效应管，全固态发射机必须采用隔离变压器来完成对电网浪涌的防护作用。

   场效应管的工作温度受到晶体材料和可靠性的限止，与其他电子元件一样，大致遵循工作温度每升高7-10°失效率加倍的规律，通常要求在机房为常温和平均图象电平的条件下将硅材料管芯的工作温度控制在110°C以下，由此决定了功率放大器的温升限止和风量要求。BLF278工作要求风量达到85M³/分钟，内部压力为450Pa。因发射机采用风冷系统，必然存在滤尘问题，由于功率放大器为便于通风和散热留有通风孔，因此一旦滤尘有问题，灰尘就会积在场效应管的表面，容易引起管子损坏。

三 场效应管的维修实例

   功率放大器由于工作在高频大功率放大状态，同时场效应管安全运行对机房要求较为苛刻，因此相对而言，场效应管的故障率较高，本文选择两种典型故障进行分析，并且对维护和维修场效应管提出可行性建议。

1、故障现象：功率放大器的T5管（BLF278）电流为1.5A，功放指示报警。

解决方法：场效应管BLF278正常工作电流应为7A-8A左右，静态工作电            流为1.5A左右，由图一可见，R₁₁和R₁₂为BLF278的输入偏置回路的两个4.7K电位器，正常情况下，这两个电位器对地阻值应为1.56K，经测试发现阻值为2.7K，将电位器向右调四圈，将阻值调至1.5K，T5管工作电流恢复为7.8A，工作恢复正常。

2、故障现象：功率放大器的T4管工作电流为0.1A，功放指示报警。

解决方法：根据BLF278的电流数值，首先测试漏极及栅极工作电源是否        正常，发现栅极12V电源工作正常，而漏极50V电源无输入，发现功放电源分配板的保险丝F7（15A）断裂，更换后BLF278的工作电流仍为0.1A，然后检查BLF278的输入和输出回路，均未发现异常，判断为场效应管BLF278损坏，更换管子后，工作电流突然为13.2A，工作二十分钟后，工作电流稳定在7.6A，恢复正常，这是由于场效应管具有负温度系数，当功放管刚刚更换后，机器一开机管芯温度较低，因此电流数值较大，等场效应管工作温度稳定后，功放恢复正常。

结束语

   由此可见，功率放大器中场效应管对机器的供电系统以及风冷系统要求较高，并且机房内温度最好控制在10°C-25°C左右，机房内通风良好，且无灰尘，因此机房内最好安置空调，通风过滤网应三天内更换一次，并且每个季度要将功放全部打开清除灰尘。有关资料指出，场效应管的工作期限一般在2万-3万小时，而我台的全固态电视发射机已运行3万多小时，场效应管的损坏率仅为7%左右，经修复后机器完好率为100%，可见细致的维护场效应管，不但节约了大量的维修经费，而且为安全播出提供了可靠的保障。