中短波發(fā)射機(jī)中固態(tài)器件的維護(hù)

肖文波

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局602臺(tái)）

中短波發(fā)射機(jī)中固態(tài)器件的維護(hù)

肖文波

（作者單位：國(guó)家新聞出版廣電總局602臺(tái)）

本文主要對(duì)中短播發(fā)射機(jī)中固態(tài)器件的維護(hù)和損壞機(jī)理及維修要點(diǎn)的介紹，給發(fā)射機(jī)中的固態(tài)器件維護(hù)工作者提供一定的參考。

中短波；發(fā)射機(jī)；固態(tài)器件；維護(hù)

1 概述

當(dāng)今，最先進(jìn)的中波廣播發(fā)射機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)化，短波發(fā)射機(jī)除射頻末級(jí)和末前級(jí)外，固態(tài)器件也取代了電子管。固態(tài)器件較電子管而言，對(duì)振動(dòng)應(yīng)變力的抗力較好，但對(duì)電應(yīng)變力和對(duì)溫度應(yīng)變力的抗力較差。盡管固態(tài)器件非常可靠，但由于環(huán)境變化和電壓過(guò)大的影響，也還是很容易損壞的。固態(tài)器件是廣播發(fā)射機(jī)中最易損壞的部件。固態(tài)器件的失效規(guī)律和電子管有很大不同，所以采用的維護(hù)方式也不同。因此，除需要對(duì)固態(tài)器件進(jìn)行老煉外，對(duì)固態(tài)器件的“預(yù)防性”維護(hù)絕大多數(shù)不是對(duì)它本身采取什么措施（檢修），而主要是加強(qiáng)防護(hù)，免受外應(yīng)力（負(fù)荷）傷害的問(wèn)題。

2 固態(tài)器件損壞機(jī)理及維修要點(diǎn)

固態(tài)器件的損壞形式可基本上分為兩大類(lèi)：機(jī)械損壞（主要是溫度應(yīng)變力）和電氣損壞（包括靜電放電和瞬態(tài)過(guò)壓）。

溫度：對(duì)任何固態(tài)部件來(lái)說(shuō)，熱疲勞特別是功率元件是一個(gè)大威脅。這個(gè)問(wèn)題是因溫度變化時(shí)施加在硅片和元器件接線上的熱應(yīng)受力不同而造成的。典型的損壞形式是元件焊料內(nèi)有空隙和裂縫，使元件熱阻變大，而在元件內(nèi)部形成熱。如果在線路模片上形成足夠大的應(yīng)變力，那這個(gè)元件就要報(bào)廢了。盡管這類(lèi)問(wèn)題以往只發(fā)在功率元件中，但熱疲勞問(wèn)題由于模片尺寸的不斷增大也會(huì)影響到超大規(guī)模集成電路。

圖1是一個(gè)由于半導(dǎo)體器件過(guò)熱而造成變形的過(guò)程。圖A所示為標(biāo)準(zhǔn)元件芯片/焊料/襯底的復(fù)合結(jié)構(gòu)；圖B所示為受到溫度影響的部件。

所以，營(yíng)造一個(gè)良好的運(yùn)行溫度環(huán)境，嚴(yán)防高溫和大的溫差是使固態(tài)器件免受損壞的重要課題。同時(shí)，要確保溫度保護(hù)裝置的可靠性和工作完好性。

散熱部件：功率晶體管所產(chǎn)生的熱量（主要是在發(fā)射結(jié)）必須以足夠的速率散發(fā)出去，以保證結(jié)間溫度不超過(guò)額定上限值。采用的主要方法是熱傳導(dǎo)，即將熱量從晶體管導(dǎo)體結(jié)部分傳導(dǎo)到與外部散熱物良好接觸的金屬安裝基座。

熱傳導(dǎo)是由溫差產(chǎn)生的，在集電極與晶體管安裝基座表面之間就存在一個(gè)溫差；而在管子安裝基座表面與散熱片之間，也存在一個(gè)溫差。理想情況下，這個(gè)溫差應(yīng)該很小。但它終究有一定的量值，即集電極消耗功率的增大便會(huì)相應(yīng)地造成結(jié)溫升高。一般來(lái)講，確定出元件或系統(tǒng)散熱物的大小是一個(gè)棘手的問(wèn)題。

圖2是熱從半導(dǎo)體硅結(jié)傳到外部散熱片有關(guān)的基本元件。散熱的過(guò)程可用電子模擬來(lái)幫助描述。盡管用這種模型可以模擬一定功率損耗所造成的結(jié)溫的升高，但從原理上講，與真實(shí)情況相比，這已做了相當(dāng)大的簡(jiǎn)化。

圖1 半導(dǎo)體器件受溫度應(yīng)變力影響的機(jī)理

圖2 散熱片有關(guān)的基本元件

散熱片的主要目的是有效地增加晶體管的散熱過(guò)程面積。如果晶體管的功耗散熱功能達(dá)到理想的最佳狀態(tài)，那么環(huán)境空氣與管殼之間應(yīng)不存在溫差。要滿足這個(gè)條件，散熱片的熱阻必須為零，這就意味著應(yīng)有無(wú)限大的散熱片。雖然這種理想裝置是不可能實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)際情況越接近理想條件，管子的功率也就越大。

在典型的功率管應(yīng)用中，管殼必須與散熱片有電之間的絕緣（集電極接地的電路除外）。管殼與散熱片間的熱阻取決于下面兩個(gè)因素：絕緣材料、管殼和散熱片的表面不平度及絕緣體本身。由表面不平度引起的熱阻可以通過(guò)使用硅油減小至最小程度、但絕緣體本身的熱阻率往往是問(wèn)題的關(guān)鍵。但是，一般電絕緣性能良好的物質(zhì)其熱絕緣特性也良好。這方面可用的最適當(dāng)?shù)牟牧鲜窃颇浮⒈谎趸锖捅魂?yáng)極化了的鋁。

風(fēng)冷裝置：在電子系統(tǒng)中所使用的風(fēng)機(jī)和濾塵器是值得考慮的重要因素。由于所用的濾塵材料的單位長(zhǎng)度氣孔數(shù)（PPI）的不同，不同的風(fēng)機(jī)濾塵器所造成的系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)外溫差也不同（即使空氣濾塵器是干凈的，其效果也一樣）。表1列出了某個(gè)電子設(shè)備中的典型測(cè)試數(shù)據(jù)。很明顯，材料的多孔性以及所選用的濾塵材料的厚度會(huì)影響一個(gè)電子系統(tǒng)的最佳內(nèi)部溫度。系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，必須能滿足系統(tǒng)在不同的工作條件和工作溫度下的要求。表1表示一組電子系統(tǒng)溫度測(cè)量的結(jié)果。它表明了在不同的PPI（氣孔數(shù)/英寸）條件下，使用和不使用濾塵器的不同冷卻效果。由此可見(jiàn)，對(duì)進(jìn)入發(fā)射機(jī)的空氣應(yīng)當(dāng)進(jìn)行除塵和凈化。

靜電放電故障：在靜電放電造成部件的損壞當(dāng)中，活動(dòng)的人體帶電是一個(gè)重要原因。一般情況下，人體所帶靜電電位都在1～2 kV范圍，而在此電壓水平上的靜電放電人體一般并無(wú)直觀察覺(jué)，而中短波發(fā)射機(jī)中包括的許多絕緣門(mén)雙極晶體管IGBT和互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路CMOS等全固態(tài)器件，它們的靜電敏感電壓很低，對(duì)靜電放電的損傷最敏感。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，由于靜電放電導(dǎo)致MOS器件的輸入回路燒毀或柵極穿通的約占其總失效數(shù)的20%～50%。維護(hù)中如不對(duì)人體和器件上所帶靜電進(jìn)行適度防護(hù)，很容易超過(guò)靜電敏感電壓的低端電壓，造成MOS管的損壞。IGBT管雖不像CMOS管那樣敏感，因?yàn)樗鼈冇休^大的輸入電容，因而在充電到門(mén)限電壓之前能吸收更多的能量。然而，一旦擊穿，就會(huì)有足夠的存儲(chǔ)在柵源間電容上的能量來(lái)引起柵極氧化層的徹底擊穿。由于額定的柵源電壓Vgs最大值為20 V，而靜電電壓的典型值在100～25 000 V，顯然這些器件需要作特殊處理。

表1 一組電子系統(tǒng)溫度測(cè)量的結(jié)果

圖3 四種基本的短時(shí)間電源干擾

瞬態(tài)過(guò)壓：據(jù)估計(jì)，失效的半導(dǎo)體器件中有95%直接或間接與加在元件上電壓或功耗超過(guò)額定容限有關(guān)。

供電電源是設(shè)備故障和部件損壞的根源。為了正常工作，廣播發(fā)射機(jī)都要求穩(wěn)定地提供無(wú)缺陷的電源，但電力系統(tǒng)提供的電源中包括很多電壓異常情況，圖3中四種基本的短時(shí)間電源干擾分析，電壓浪涌在16～30 s，超過(guò)正常線電壓，10%～35%的增長(zhǎng)。電壓下降：在16～30 s，低于正常線電壓，10%～35%的減少。瞬變干擾：加到交流波形上的能量高、持續(xù)時(shí)間短的電壓脈沖。這種脈沖可能是正常交流電壓的，1～100倍，并且可能持續(xù)長(zhǎng)達(dá)15 ms，上升時(shí)間可能短到1ns；為此，發(fā)射機(jī)的電源需要進(jìn)行凈化處理。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)中短播發(fā)射機(jī)中固態(tài)器件的維護(hù)和損壞機(jī)理及維修要點(diǎn)方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以期對(duì)中短波發(fā)射機(jī)固態(tài)器件維護(hù)工作有所幫助。

[1]劉洪才.中短波廣播發(fā)射機(jī)[M].北京:中國(guó)廣播電視出版社,2003.