大功率MOSFET管在调频全固态发射机中的应用

2020-11-12庞宏杰

电子元器件与信息技术 2020年8期

庞宏杰

（大连广播电视发射台，辽宁大连 116001）

0 引言

大功率MOSFET管的应用可有效提升工作效率，因为功率非常大，所以，受到了广泛的关注，属于半导体器件的优质选择，在调频全固态发射机中得以广泛应用，呈现出全固态和数字化的转变。大功率MOSFET管的发展时间较短，若想全面掌握应用困难重重，基于此，其中的重中之重就是详细了解，全面掌握其中的奥秘。

1 大功率场效应简述

大功率场效应晶体管是近年来发展起来的新型半导体器材，目前大多采用金属氧化物半导体场效应晶体管（简称MOSFET）。在全固态调频广播发射机的功放模块中也采用了这种场效应管，使用较多的是SD2932，SD2932的最大输出功率为300W。MOSFET器件的特性一般包含很强的抗负载适配能力以及稳定性，其中通常包含电压空置期间，通过栅极电压Vgs控制漏极电流，正向跨度及控制能力非常强。由于输入阻拦很高，栅极的电流很小，鉴于此，应激励功率很小，功率效益的增加非常高，致使栅极的绝缘层很容易受到击穿而导致出现伤害。所以，在使用与保存过程中应特别注重。大连广播电视发射台机房作为一个有着一定历史的调频广播机房，随着发射机的不断更新，所以经历了多种固态机的型号，并且目前很多正在使用。正是这种不同型号的发射机，使得SD2932的工作背景也有所差别，这就为积累SD2932的使用经验提供了良好的基础。通过对SD2932的日常检修和故障维护，在SD2932的使用和维护方面积累了一些经验。通过查阅大量的技术资料，对功放模块中的“心脏”SD2932进行了深度探索。另外，笔者结合自身的工作经验，总结出了一套全面的维护理论，希望与同行共勉。

2 MOSFET管的结构及工作原理

MOSFET管一般包含P型沟道与N型沟道两个类型的沟道，所有的沟道都会氛围增强型和耗尽型两种[1]。本文概述了现实中颇为常见的N型沟道增强型绝缘场效应管理原理和结构，如下图1所示为原理结构。

图1为N沟道增强型MOS-FET剖面示例图。通常利用P型硅半导体材料制作衬底。之后，让其表面中的两个N型区域得以全面发散，之后通过二氧化硅绝缘层的利用覆盖于N型区域上，通过以上程序之后，在N型区域中采用腐蚀钻钻出两个孔隙，并在绝缘层上与孔内顺利做出栅极、源极、漏极三个电极，采用字母G、S、D分别代表。图1可明确三个电极均为完全绝缘，尤其是漏极与原极之间存有两个PN结。一般情况下，在内部衬底与原极均为有效连接在一起的[2]。

图2为MOSFET管工作原理示意图。为了提高MOSFET管增强型N沟道的工作效率，势必要将正电压VGS在G、S之间进行增设，并在D、S中间设置VDS，所以，才能形成正方向的工作电压，为了更好地控制工作电流，加强VGS电压的改善势在必行。但是，一旦没有接通VGS，将正电压VDS增设在D、S之间，就会导致漏极与衬底之间的PN结显示出反方向，使漏源和漏源之间不会再产生到点的状况。但是，如果在G、S点之间增设电压VGS，G和衬底将会被当做电容器中的两个极板，电容器的界址就能够采用氧化物绝缘层进行代替。在加强VGS的过程中，绝缘层和G层将会出现正电荷，而绝缘层与衬底的截面将会出现负电荷。其中形成的负电荷界面和P型衬底中大部分载流子的极性呈现出完全相反的情况，此状况产生层面就是反型层，此层会将漏极和源极进行连接，产生能够导电的沟道，而若是VGS电压太低，就会让形成的负电荷降低，若是产生就会被空穴中和掉。所以，导致电流不会在漏源之间通过。一旦VGS电压值到达适当的高度时，负电荷将会产生N沟道，这项电压值被人们称之为开启电压值电压，英文名称为VT。一旦VGS电压值一直处于增加的状态，就会导致负电荷出现增加，致使电沟道的规模就会日益拓展，导致电阻降低，ID也会逐渐提高，与此同时，还能够更好地连接线性关系，曲线通常称之为转换特性，在相应的范围中利用控制VGS电阻的方式进行ID的控制[3-5]。

3 SD2932的外形和技术特点

如图3所示，其中1、2是漏极D，3、4是栅极G，5是源极S。其属于双推挽N沟道增强型的V-MOSFET功放管。在同一个底座中封装特性完全相同的两个管芯，主要用在提高推挽功率，最大程度地推动输出功率的提高，两个管子的源极都要立即通过底座相互进行连接。调频机房目前运行的全固态发射机大部分使用的是这种功放管。

3.1 SD2932的特征

①SD2932时电压控制性器件，其功率增值非常高；②SD2932具有负的温度系数，进而稳定性非常强；③栅极和源极的反馈电容非常小，设计和调整十分便捷；④输入阻抗及输出阻抗十分高，较易使宽带顺利进行匹配；⑤SD2932具备80%以上的效率；⑥镀金层的电极，确保安全可靠性。

3.2 SD2932的存放和使用

由于MOSFET期间的栅极很容易遭受静电的影响而发生损坏，因此，需要放置在防静电的包装盒中，或是保存于各种短路的条件下。在选择并具体的安装时，若是需要用手拿器件，要带上手套和静电泄放腕带，若是条件限制，可先用手轻轻摸一下地线，及时放掉人体中的聚集静电，防止静电为管子带来损坏。尤其是缺少静电包装的条件下，可针对管子的各级实施短路保存。此外，还应该特别注意一个问题，SD2932管子内部均为氧化铍陶瓷。因为这类材料具备较强的散热性而得以应用，可氧化铍属于毒性很大的物质，使用者需要提高重视，禁止用手直接接触。更换下来的坏管子不能随意丢弃，须妥善进行保管与处理，避免出现人身意外[6]。

3.3 SD2932管子的测试与故障判断

第一，初步判断。根据各组功放单元显示窗口中的各项参数及面板上的各状态指示灯的显示（以RVR功放为例），可初步判断是否由于+50V电源（PS）故障而导致功率异常，是否有功放管异常等。第二，在线阻值测量法。在不加电状态下，打开机箱顶盖，先观察有无元器件表面发黑崩损等现象，再用万用表×1K的电阻档分别对各个功放管的栅、漏极对地电阻进行在线测量，正反向反复对比测量，发现有阻值相差极大（开路或短路）的管子可能已经损坏。第三，正确连接激励器、假负载、功率表及电源等连线，将激励器输出功率降至5W左右。先开功放电源，再加激励器电源，观察是否有电源组不工作，若有则关机，分别跳开对应的保险管或接线端子，开机测+50V电压是否恢复正常，若能恢复，则证明所对应的那组功放模块有问题。第四，静态电压测量法。在+50V电源正常的状态下，若管子未完全损坏，只是输出功率低或无功率输出时，可通过测静态偏压有无或是否正常来判断偏置电路是否存在故障元件，管子的工作效率是否已下降需要更换等。第五，静态电流测量法。在静态偏置电压正常情况下，通过测量静态漏极电流值是否在正常范围（120～180mA），来判断管子的放大能力是否已下降而需要更换。第六，温度测量法。用测温仪测量功放管表面温升情况，在加激励的状态下功放工作5min以后对管子进行温度对比测量，若表面温度与其他的管子相差很大时，可以判定该管子有问题[7]。

由于大连广播电视发射台发射的大连调频七套立体声广播均采用RVR发射机，通过几年来的维修经验，总结如下：除103.3MHZ发射机（年代早）静态值与其他六套广播发射机有差别之外，其他静态值大约如下：VDS=50V，Vbias=2.5～3.1V，静态电流值约为130～180mA左右。

3.4 功放管SD2932的更换

SD2932是射频大功率双删极场效应晶体管（MOSFETS管），是MOSFETS电压控制器件，若是安装使用不合理，很容易损坏MOSFETS管。鉴于此，须严格遵照以下几方面实施更换与安装：

3.4.1 更换之前的准备工作

第一，避免用手或是其他导体触摸此管的栅极，由于人体或是导体带有的静电将会击穿此管并造成损坏。在进行此管安装前，要及时清理安装部位确保其整洁安静，并在管子的底部涂抹导热硅脂，之后将管子进行固定。第二，在焊接工作开始前，要先利用导线夹子及时连接栅极和漏极电路部位和功放的地线。第三，电烙铁的外导体位置必须要利用导线和功放的地进行连接，才能开始焊接。焊接工作开展时应该拔出电烙铁的电源插头，避免感应电压损坏管子。第四，尽可能避免使用万用表或是其他仪器对功放管进行测试。

3.4.2 管子更换的程序

第一，拆除功放管的固定螺钉，并及时对管脚的焊锡进行清除，取出坏管。为了保障散热器接触面积保持光滑平整，就要清理管座中的旧导热硅胶等杂质。第二，安装新管前，先将SD2932的管脚从引线位置向上弯曲大约60°角。第三，在功放管和散热器接触面中均匀涂抹一层导热硅脂，并重新安装功放管的紧固螺钉。第四，利用60～80W的烙铁加热之后切断电源进行各个管脚的焊接工作。每次的焊接时间都要控制在5s以内，若是一次无法完成，停留几秒之后在进行焊接。第五，更换之后的功放管势必要进行栅极偏置电压与输入匹配的重新调整。第六，观察功放窗口中其他各项参数是否正常，确认后检查机箱内是否有遗漏的工具、杂物等，一切正常后恢复安装，结束维修，做好维修记录。

SD2932作为一种目前被广泛使用的调频发射机功放单元核心，其使用状态和寿命直接关乎调频广播的社会效益和经济效益。