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10KWDAM中波发射机功率放大问题分析

2017/4/21 3:00:01
【摘要】   【摘 要】文章10KWDAM中波发射机为例,对射频部分功率放大电路的工作原理,功率器件结构、放大以及电路的安装技术和散热技术作出了分析,以供同行参考。   【关键词】10KWDAM中波发射机;射频功率放大模...

  【摘 要】文章10KWDAM中波发射机为例,对射频部分功率放大电路的工作原理,功率器件结构、放大以及电路的安装技术和散热技术作出了分析,以供同行参考。

  【关键词】10KWDAM中波发射机;射频功率放大模块
  DAM中波发射机的射频部分,以工作顺序,依次为:激励器、缓冲放大、推动级及合成、射频分配与功率放大级、功率合成及输出。射频部分的功能,是将小功率的载频信号经逐级放大到发射天线要求的功率,经音频调制后,由发射天线将已调波辐射出去。可见贯穿射频部分这条主线的重中之重即为:功率放大。
  在10KWKDAM发射机中,功率放大模块A40的原理如图1。预推动级和功率放大级均由功率放大模块A40组成并完成。了解功放模块A40工作原理和器件特性尤为关键。
  图 1
  N沟道功率VVMOSFET的结构
  图 2
  射频功率放大模块由4个N沟道的MOS场效应管,以H桥形式连接,并以D类放大电路(丁类开关放大方式)工作,由各自独立的A、B部分组成。A部分为V1和V3,B部分为V2和V4。A、B两部分各有自己独立的供电电源和独立的射频驱动电路。此一特点利用于预推动级,使预推动级分A、B两部分独立工作。A40功率放大模块输出级为开关形式工作,输出为方波,输出方波值为供电电压值,经由LC滤波器送至合成器初级(铁氧磁环的绕线组),合成器合成后达到指定功率。当M=0载波功率为10KW时,有18个A40工作,可见每个A40的输出功率达数百瓦特。要实现如此大的功率放大,普通的放大管难以达成,在此选用了大功率电子器件:N型沟道MOS场效应管,在此重点阐述该器件:
  功率场效应管(Power MOSFET)的基本结构与普通小功率MOSFET有较大区别;功率MOSFET采用二次扩散技术,在结构上多采用垂直导电方式,沟道截面面积大且短,导电电阻小。按结构分,功率MOSFET有VVMOSFET和VDMOSFET两种。A40功放模块中的IRFP350为VVMOSFET,结构如图2所示。其二次扩散技术是在重掺杂N+型区硅片上衍生出一个高阻N-层,N+型区和N-型区共同作为功率MOSFET的漏极D。N-型区在工作时成为高阻漂移区,该层的电阻率及外衍厚度决定器件的耐压水平。在N-层上通过P型扩散构成一个P字型层,然后再在P型层上进行N型扩散,形成一个N+型区域。经P型和N型两次扩散,使硅片上形成了N+N-PN+结构,扩散形成的P型区相当于衬底,二次扩散形成的N+型区则作为源极S。由于VVMOSFET更为充分的使用硅片面积,通过V型栅极实现垂直沟道,使IRFP350类的VVMOSFET具备更大的电流,从而实现了大功率器件功能。
  由于IRFP350工作于丁类工作状态,那么其开通时间ton和关断时间toff应设法加以缩短,ton和toff与功率MOSFET的开启电压UGS(th)、输入电容有关,并受外加激励脉冲信号的上开时间、信号源内阻和栅极保护电阻的影响。
  以上是根据功率放大模块原理图进行的分析,但在实际发射中要实现功能,要根据原理图生产出来实际的功放模块A40,在制产A40模块时,实际电路布局要注意以下问题:
  (1)四个IRFP350功放MOSFET管工作于开关状态,其开关控制电路由V5、V6和V7以及相关器件组成,属小功率电路范畴,其信号幅度小,要求精度高,最害怕受干扰。
  (2)模块的射频输入部分分为A、B两部分,相位相差180°。当功率放大输出器件IRFP350开通和关断的瞬间,输出信号在供电电压+230VDC间变化剧烈,其电压变化率du/dt和电流变化率di/dt很大。因此射频驱动电路一方面要防止外来噪声干扰,同时也要防止自身输出信号对射频输入的干扰。
  (3)功率输出部分工作电压高、电流大、并且为开关工作状态,随着功率放大器件IRFP350的开关动作,功率输出电路的电压变化du/dt和电流变化di/dt均会对周边环境电路和器件产生较强的电磁干扰;功放IRFP350的栅极存在较大的电容,对于栅极引线的电感非常敏感,栅极引线的电感过大可能引起栅极电路出现震荡,这一点很值得注意。
  根据以上分析,为降低干扰的影响,A40功放模块电路布局应遵循以下原则:
  (1)控制电路部分尽量远离功率输出部分和驱动电路的输出端,采取恰当的滤波、接地进行电磁兼容以降低干扰的影响。
  (2)射频驱动信号也应尽量远离功率输出部分,以降低干扰信号的影响。
  (3)射频驱动电路的输出端与功率输出器件IRFP350的位置应近些,以避免引起电感引线的栅极震荡。
  (4)采取科学合理的布线走线。
  在印刷线路板上实现科学合理的布线,要熟悉了解导线上传送的是模拟信号还是数字信号,导线上传送的电流的大小和传送信号的频率,导线上加载的是强电还是弱电等。对于电流比较大的导线,必要时还得估算出电流的最大值。在熟悉了电路状态的基础上,可以从以下几个方面科学实现功放板印刷电路的科学布线。
  (1)印刷线路板上导线宽度越宽,其导通电阻越小,载流能力越强,但分布电容也会有所增大。对电流较小的弱信号线,一般宽12mil即可(1mil=0.0254mm),如果导线短的话,导线可以在窄些。但印刷线路板上载有大电流的导线应保证足够宽,按每1mm导线宽度承载1A的连续电流设计。
  (2)对于电压比较高的导线,依一般情况,按1mm/500v的比例计导线间的爬电距离。注意此爬电距离中的电压是指两导线间电压差的峰值,同时还应考虑因干扰等致使电压峰值产生的波动;湿度高的环境下爬电距离要提高,并用绝缘树脂浸盖印刷线路板,并进行防湿和绝缘处理。
  (3)器件布局上,相互间传送高频信号的器部件可离得近一些,连线尽可能短;相互间传送低频信号的部件可离得稍远一些,连线稍长一些也无妨。
  (4)双层印刷线路板正、反两面上的导线若平行则产生大的分布电容,故而应尽量使正、反两面上的导线互相垂直。
  (5)为保证接地良好,印刷线路板上的地线布得比较粗些,以减小其电阻。尽可能在一个单元电路中采用一点接地方式,以解决地线电位差的问题。电源线与地线尽可能并行排列,以达到电磁兼容。
  功放模块的散热:
  对于功放模块A40中的IRFP350设其导通压降为UON,占空比D,电流幅值IT,截止时的承载电压为UT,开通时的电流为IT,开关频率为FS,周期为TS,则在一个开关周期内,平均开关损耗:
  对电阻性负载:
  p=IUdt+ITUTdt
  =IU=IU(t+t)f
  对电感性负载:
  p=IU=IU(t+t)f
  平均通态损耗Pc=ItUonD
  那么PS+PC为IRFP350的总功率损耗。它将转换为热量而引起IRFP350发热,IRFP350的核心为PN结,其正常工作必须保证温度低于最高允许结温Tjm。而IRFP350内部温度分布是不均匀的,且自身体积小,其自身向外界环境传热能力远低于其自身总功率损耗所产生的热量,为实现热传输平衡,遵从热路欧姆定律,必须在功率器件IRFP350上加装散热片。IRFP350外壳与散热片的接触面上需涂抹导热硅脂,以去除两者之间存在的空气缝隙,有效地利用散热器整个表面积进行热传导。A40功率放大模块中IRFP350与散热器之间除要涂抹导热硅脂之外,更重要地还要加一层薄云母片,以实现IRFP350与散热器的绝缘。
  从DAM发射机功放模块实际印刷板电路上,以上分析浅述得以充分使用,使A40模块的以正常工作,确保了发射效果优质高效。
  【参考文献】
  [1]陕西数字广播通讯设备有限责任公司.数字调幅中波广播发射机的原理与维护.
  [2]李中江,编著.VMOS功率场效应晶体管及应用.人民邮电出版社.

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