3DX-50发射机功放模块爆炸原因浅析与改造
摘要:本文通过对3DX-50发射机功放模块场效应管爆炸的原因进行分析，并根据原因对设备的薄弱环节进行了技术改造，经实践检验取得了良好效果。
关键词：功放模块；功率合成器；技术改造
中图分类号：TN948.53文献标识码:A
3DX-50全固态发射机是Harris公司继DX系列发射机之后推出的一种新型的发射机。在发射机的设计趋向于高集成、模块化，其制造安装大量采用了模块化插拔的方式。在便于维护、方便拆卸的同时，也容易产生接触不良的隐患。本台从2004年进行设备更新，陆续引进使用3DX-50发射机，目前共有三台3DX-50发射机；随着工作年限的延长，发射机陆续出现一些故障，通过总结，发现其中较多故障都是由于接触不良引起。而其中遇到较严重的情况，就是功放模块的输入、输出电路在功放母板和滤波板的连接接头拉弧引发的故障；较轻的情况是功放模块场效应管爆炸、多块功放模块损坏，母板、滤波板受损；较严重的还有低压电源受波及而引起的一个或多个调制编码器损坏，数字激励器、主控制板等控制系统的损坏，其影响极大，维修困难，而购买器件费用不菲，耗时较长。在多台设备均出现同类情况后，本台经分析原因后对设备进行了技术改造，杜绝了此类情况的发生。本文通过分析功放模块及功率合成器的工作原理，找出故障原因；并介绍了本台对设备薄弱环节的改造方法。
1．射频功放模块
3DX-50发射机的射频功放模块使用八个场效应管(并接成四对)，每对就如一个开关，布局成桥式电路。每个功放被等分成二部分：桥A和桥B，每路场效应管通路象开关一样交替合断，供给两对场效应管通路的射频开关信号相位相差180度，因此，上端一对为关状态时，下端一对就是合状态，输出也是以射频频率在地和正直流电压之间变化的波形。当模块工作时，调制编码器输出的高频信号驱动模块的控制电路。上端的场效应管(Q1、Q2、Q3、Q4)通过与门接收驱动信号，下端的场效应管(Q5、Q6、Q7、Q8)通过或门来接收驱动信号。模块接收到导通指令后，导通指令首先提供给U9，U9是一个D触发器，D触发器将延迟这个导通信号，直到下一个桥B驱动信号波形的下降沿，这样可以有效保证功放模块在射频出现零交叉点时才关断，防止由功率合成器中感应的射频电压导致高电势引起场效应管饱和导通，在下一个零交叉点后与门将给上端的场效应管提供驱动信号。在半个射频周期内，当在桥A驱动信号波形的上升沿时，D触发器的时钟端接收到触发信号，触发器翻转，Q端输出高电平，上端的场效应管通过与门接收驱动信号，此时桥A的驱动信号为高电平，桥B的驱动信号为低电平，与门U1输出高电平，Q1/Q3导通,与门U2输出低电平，Q2/Q4关断，下端的场效应管通过或门接收驱动信号，或门U3输出为低电平，Q5/Q7关断，或门U4输出高电平，Q6/Q8导通。在另半个射频周期内，Q2/Q4和Q5/Q7导通，Q1/Q3和Q6/Q8关断。这种开关方式在合成变压器的初级绕组上通过隔直电容有效的加上了全部的供电电压，每个桥产生一个方波的输出，但相位彼此相差180°，通过合成变压器初级的方波电压峰-峰值大约是电源电压的两倍，用一个与合成变压器串联的电容来防止直流电压对地短路。
当模块被禁用或关断时，触发器U9的D输入端为低电平信号，时钟端(CLk)输入为桥A的驱动信号，在桥A驱动信号波形的上升沿，触发器翻转，Q端输出低电平，其反相端输出为高电平，上端的与门U1和U2保持输出为低电平，场效应管Q1/Q3和Q2/Q4关断，下端的或门U3和U4保持输出为高电平，场效应管Q5/Q7和Q6/Q8保持导通，这样使磁环变压器初级两边趋于地电位，防止由磁环变压器次级感应的电压击穿场效应管。
图（1）功放模块原理图
2．功率合成网络
全固态发射机实现数字调幅是通过多块的功放模块的输出电压在功率合成网络进行叠加，其关键部件是功放模块和功率合成网络。理想的功率合成器必须满足下列条件:
(1)功率相加条件。当m个同类型的放大单元电路共同推动一个匹配负载时, 设它们的输出电压相等, 输出功率P0相同, 则负载上获得的总功率为mkP0 ,它是合成器的必要条件。
(2)相互无关条件。相互无关条件对于功率合成器非常重要, 要求参与合成器的各个单元放大电路彼此之间互相隔离，互不影响。也就是说，m个放大单元电路中有n个发生故障时, 只有故障单元无输出, 而其他没有故障的单元电路同样向负载输出额定功率PO,此时总输出功率应为(m -n)Po。可以说,它是功率合成器的充分条件。
(3)功率减小条件。在上述n个单元放大电路故障时, 负载所得的功率虽然下降, 但这下降值应尽可能小，最好的情况下，功率减小值为nPo 。而实际上要做到这一点是非常困难的, 往往功率下降值要超过nPo , 在实际工程上应尽量做到减小下降量。我们把它叫做功率合成器的次要条件。
图（2）功率合成网络原理图
如图（2）所示, 当该网络用于功率合成时, 则分别从R1 、R2?Rm 两端馈入射频激励电压。 设变压器初级:
则在变压器次级可得:
在负载RL 上获得的合成功率为:
3．功放模块与功率合成器的连接方式
在3DX-50发射机的功放柜中，前面共安装有62块大台阶功放模块、2块二进制功放模块以及4个调制编码器。所有的功放模块和调制编码器通过插头插入安装于机柜后的8块功放母板上。标准配置下，功放母板分为顶母板和底母板，每个调制编码器后部有两个插头插于上、下两块母板，位于调制编码器上方的称为顶母板，位于下方的称为底母板；，在功放母板背面上还安装了滤波板，两者互为连接，与之相对应分为顶滤波板和底滤波板。在功放柜中分左右两列安装。每块顶母板设计安装8块大台阶功放模块，每块底母板设计安装8块大台阶功放模块及1块二进制功放模块。每一块功放模块在功放母板及滤波板上都有两对的输入输出接头，一对是功放模块的300V电源A、B输入，另外一对是功放模块的射频输出；二进制功放模块则为150V或75V的电源输入及二进制台阶电压叠加后的射频输出；整个功放柜内共有272个这样的接头。这些接头使用香蕉形接插头，通过香蕉形弹片结构接入一个圆柱形的底座接触连接，再由滤波板的接插头通过连接线连到合成器的初级。
4．场效应管爆炸原因分析
将爆炸的功放模块拆下检查，发现场效应管Q5、Q7炸裂，保险丝完好，拆开滤波板与功放母板，发现两者的接头有严重拉弧的痕迹，并波及到功放模块插座和编码器插座。对于造成这类情况的原因，有两种可能性：一是由于功放模块场效应管的炸裂引起的接头拉弧；二是由于接头接触不良，从而引起合成变压器初级的感应电压没有放电回路而拉弧导致场效应管爆炸。对于第一种原因的可能性较小，根据经验，多数场效应管损坏的原因是电压击穿，除非是瞬间通过极大的电流大大超出了管子的最大功耗值，而发生爆炸的功放模块其保险丝是正常的。而发生第二种情况的可能性则相对较大，因本台地处南方，空气湿度较大，而在发射机的初期运行时段，由于没有经验，没有严格控制设备运行环境的湿度，从而导致发射机很多接头接点出现氧化情况，极容易出现接触不良的情况。这是一个很深刻的教训，虽然后期做了不少补救措施，情况有所改善，但已存在了故障隐患。若功放模块的输出接头接触不良，则根据电路的原理分析，合成变压器初级线圈在功放模块的放电回路中断，从合成变压器的次级感应回的电压，由于得不到及时的泄放，而产生很高的感应电压。假设发射机在50KW载波功率状态下，功放模块开通24块，每块模块在合成变压器次级的电压为
在合成器次级的总电压为：
则开路的功放模块的初级线圈感应电压为：
在100%幅度调制的情况下，开通模块数m=48，其感应电压更高达48U，在如此高电压之下，就出现功放母板及滤波板的电路板拉弧、功放模块场效应管爆炸的情况。
5．3DX-50发射机的技术改造
如果滤波板与功放母板的连接出现故障，则必须花费较长时间拆开处理，而且处理后再安装，插拔次数越多，接头弹片的弹性疲劳而导致接触不良情况更加严重，形成恶性循环。最好的方法就是保证其接触良好。经考虑采用螺丝连接更为可靠，而且在日常维护中可以检查是否有松动的情况，从而可有效预防接触不良的情况发生。改造方法与步骤如下：第一步首先测量功放母板和滤波板之间的距离，实测两者间距为2cm；第二步是到市场寻找到相同长度的中间空心带螺牙的铜螺杆，一台发射机要购买272个，以及配套的螺丝、垫圈（注意螺杆、垫圈的直径不能超过电路板上接头焊盘的直径），将电烙铁、吸锡器、细铜丝及螺丝刀等工具准备好后，先将与功放母板和滤波板的所有外部连接拆除，然后将滤波板和功放母板拆下，用电烙铁将原来连接的香蕉接头和插座焊下，用电烙铁、细铜丝加松香将电路板焊盘上剩余的焊锡吸收干净，保证焊盘平整，可以和垫圈接触良好；然后用酒精清洁电路板，将松香拭擦干净。最后一步进行安装，先将铜螺杆用螺丝安装固定在功放母板上，每口螺丝都拧紧后将功放母板装回发射机，将功放母板的连接恢复，然后再进行安装滤波板，固定滤波板安装位置后对每一个接头用螺丝连接拧紧，最后恢复发射机的全部连接。本台对使用的三台3DX-50发射机的功放母板和滤波板都进行了改造，经过两、三年时间运行试验，没有再出现因拉弧而引起的功放模块和功放母板损坏事故，说明此项技术改造有效地解决了设备的不足之处；而且改造方法简单易行、花费不大，可供使用同类发射机的同行参考。
参考文献
[1]3DX-50技术说明书.
[2]刘吉坤,戈义志.全固态中波广播发射机中的功率合成网络分析.西部广播电视,2002年.
作者简介：陈艳，1978年，女，汉族，广东省广播电视技术中心522台，联系地址：广东省广州市花都区22号信箱，510800，大学本科，助理工程师，研究方向：广播电视工程。
杨志深，广东省广播电视技术中心522台,广东省广州市花都区22号信箱，510800。