肖文波

（作者單位：國家新聞出版廣電總局602臺）

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：國家新聞出版廣電總局602臺）

本文主要對中短播發(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)除射頻末級和末前級外，固態(tài)器件也取代了電子管。固態(tài)器件較電子管而言，對振動應(yīng)變力的抗力較好，但對電應(yīng)變力和對溫度應(yīng)變力的抗力較差。盡管固態(tài)器件非?？煽?，但由于環(huán)境變化和電壓過大的影響，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，除需要對固態(tài)器件進(jìn)行老煉外，對固態(tài)器件的“預(yù)防性”維護(hù)絕大多數(shù)不是對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：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)過壓）。

溫度：對任何固態(tài)部件來說，熱疲勞特別是功率元件是一個(gè)大威脅。這個(gè)問題是因溫度變化時(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。盡管這類問題以往只發(fā)在功率元件中，但熱疲勞問題由于模片尺寸的不斷增大也會影響到超大規(guī)模集成電路。

圖1是一個(gè)由于半導(dǎo)體器件過熱而造成變形的過程。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相應(yīng)地造成結(jié)溫升高。一般來講，確定出元件或系統(tǒng)散熱物的大小是一個(gè)棘手的問題。

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。散熱的過程可用電子模擬來幫助描述。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锖捅魂枠O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，對進(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直觀察覺，而中短波發(fā)射機(jī)中包括的許多絕緣門雙極晶體管IGBT和互補(bǔ)對稱金屬氧化物半導(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)中如不對人體和器件上所帶靜電進(jìn)行適度防護(hù)，很容易超過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，因而在充電到門限電壓之前能吸收更多的能量。然而，一旦擊穿，就會有足夠的存儲在柵源間電容上的能量來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)溫度測量的結(jié)果

圖3 四種基本的短時(shí)間電源干擾

瞬態(tài)過壓：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，超過正常線電壓，10%～35%的增長。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

本文對中短播發(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:中國廣播電視出版社,2003.