鄭錫楚

(海軍92823部隊 三亞 572021)

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新型聲納功率放大器的檢修方法*

鄭錫楚

(海軍92823部隊 三亞 572021)

論文通過介紹功率放大器的種類,研究新型聲納功率放大器的工作原理,提出對其檢修的方法。

功率放大器; IGBT; 檢修方法

Class Number TN722.7

1 引言

聲納裝備主動方式工作時,發(fā)射信號源按指定的工作方式產(chǎn)生發(fā)射信號,送至發(fā)射功率放大器,將發(fā)射信號進行功率放大,每路功率放大器輸出信號經(jīng)基陣接口,分別送至換能器陣元,向水中輻射聲波。

功率放大器通常分為A類、B類、AB類、C類、D類和T類等,其中,A、B和AB類放大器早為人熟知。C類放大器一般用于射頻或振蕩器。T類放大器是一種新型放大器,具有AB類放大器的保真度和D類放大器的高效率。A類放大器可用一只晶體管,工作在線性區(qū),放大器輸出幾乎無失真,但效率非常低。B類放大器由兩只晶體管組成推挽結(jié)構(gòu),每個晶體管放大半周期的正弦信號,效率高于A類放大器,但在正弦信號過零時會產(chǎn)生非線性失真。AB類放大器兼有A類和B類放大器的特性,采用可向每只晶體管提供小偏置電流的電路,每個晶體管都不會完全截止,因此,失真較小,但功率損耗較大。

在D類放大器中,用作放大的晶體管幾乎總是處于或者導通或者截止的狀態(tài),只有從一個狀態(tài)躍變到另一個狀態(tài)的過渡階段才進入線性區(qū)域,因此,其功率損耗比線性放大器小得多,效率可達85%甚至90%以上。

由于功率放大器在高壓大電流狀態(tài)下工作,而且負載(換能器)特性變化較大,甚至會出現(xiàn)負載短路等異常狀態(tài),所以出現(xiàn)故障的概率相對其他部分要高。在裝備現(xiàn)場修理,要求更換到元器件級,且為了保證人身安全,必須采用斷電離線修理方式,因此深入研究其工作原理,掌握元器件性能好壞的檢測和判別方法,才能快速、高效地排除故障,圓滿地完成裝備技術保障任務。

2 工作原理技術

由于D類諧振功率放大器中有源器件在開關狀態(tài)下工作。有時又稱為斬波器型放大器。

D類諧振功率放大器由于效率高,在聲納站中應用有重要意義。在同等條件下,D類放大器能明顯地增加輸出功率。如果在同等的輸出功率下,采用D放大器能明顯地減小直流輸入功率,也就是能減小電源的體積。另外,由于功率消耗的顯著降低,便能大大減小散熱器的體積和重量,這就大大減少了發(fā)射機的體積和重量。還有,由于功耗的降低,也能降低器件本身的結(jié)溫,這自然提高了發(fā)射機的可靠性。

由于發(fā)射信號源產(chǎn)生的發(fā)射電信號功率是很小的,而聲納發(fā)射機要求末級輸出功率很大,往往要達到幾十千瓦、甚至兆瓦級的脈沖功率,所以必須進行功率放大。在五十年代到六十年代初,聲納發(fā)射機的功放級多采用電子管。六十年代中,由于可控硅的發(fā)展,以后的聲納發(fā)射機末級功率放大多采用可控硅逆變器。目前,由于大功率晶體管和大功率場效應管的出現(xiàn),它比可控硅穩(wěn)定可靠,因此它逐漸代替了可控硅管。

某型潛用綜合聲納和某型回音聲納是國產(chǎn)新型艦艇聲納裝備,其功率放大器均采用變壓器耦合D類開關放大電路,由主電路、推動級、過壓過流保護及濾波網(wǎng)絡組成,電路基本相同,且都采用IGBT器件,如圖1所示。

功放主電路如圖2所示。在圖1中,Vl和V2為IGBT絕緣柵雙極晶體管。由驅(qū)動級送來的方波激勵信號,分別加到Vl、V2管的柵極Gl、G2端,使兩管輪流處于飽和導通與截止狀態(tài)。當一管飽和導通時,另一管處于截止狀態(tài)。這樣在Vl、V2的集電極與發(fā)射極之間得到一矩形方波,幅度為電源電壓的兩倍。變壓器初級一半繞組上得到幅度為電源電壓的方波電壓,該電壓經(jīng)過變壓器次級加到負載RL上。由于LC濾波,在負載RL上就得到良好的正弦波,如圖3所示。

圖2 功率放大器原理圖

R3、R4、R5、R6為MY31系列壓敏電阻,起過壓保護作用,C1、R7-10和C2、R11-14組成RC瞬壓吸收電路,C1、C2為聚丙烯電容器(CBB),是一種負溫度系數(shù)無極性電容器。

圖3 功率放大器波形圖

V1、V2為IGBT。IGBT是新一代復合型電力電子器件,它的控制級為絕緣柵控場效應晶體管,輸出級為雙極功率晶體管,具有輸入阻抗高、驅(qū)動簡單、導通壓降小、耐壓高、電流密度大、功率可以達到5000w等特點,是功率開關器件的首選器件。

3 故障的定位與器件檢測

3.1 故障定位

由于聲納發(fā)射機有多個相同的功率放大器,可以通過交換將故障定位到具體某路功率放大器。功率放大器斷電離線的檢修,可按以下步驟進行進一步定位和排除:

1) 檢查保險絲。若保險絲熔斷(其一端的紅點通常會彈出),則進行更換;

2) 檢查主電路。首先觀察外觀有無異常,然后用萬用表二極管檔測試,S端與D端之間應呈二極管特性。如果發(fā)現(xiàn)DS或GS短路,則更換IGBT。

3) 更換IGBT。由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu),IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離,該氧化膜很薄,其擊穿電壓一般達到20V～30V,常常因靜電而導致柵極擊穿而導致IGBT失效。因此,更換過程中要注意:(1)在IGBT使用模塊時,盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分,當必須要觸摸模塊端子時,要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后,再觸摸;(2)在用導電材料連接模塊驅(qū)動端子時,在配線未接好之前請先不要接上模塊;(3)盡量在底板良好接地的情況下操作。

3.2 器件檢測

3.2.1 IGBT的檢測

IGBT有三個電極,分別稱為柵極G(也叫控制極或門極)、集電極C(亦稱漏極)及發(fā)射極E(也稱源極)。將萬用表撥在R×10kΩ擋,用黑表筆接IGBT的集電極(C),紅表筆接IGBT的發(fā)射極(E),此時萬用表的指針在零位。用手指同時觸及一下柵極(G)和集電極(C),這時IGBT被觸發(fā)導通,萬用表的指針擺向阻值較小的方向,并能站住指示在某一位置。然后再用手指同時觸及一下柵極(G)和發(fā)射極(E),這時IGBT被阻斷,萬用表的指針回零。此時即可判斷IGBT是好的。任何指針式萬用表皆可用于檢測IGBT,注意判斷IGBT好壞時,一定要將萬用表撥在R×10kΩ擋,因R×1kΩ擋以下各檔萬用表內(nèi)部電池電壓太低,檢測好壞時不能使IGBT導通,而無法判斷IGBT的好壞。若進行第二次測量時,應短接一下源極(S)和柵極(G)。

3.2.2 壓敏電阻的檢測

用萬用表的R×1kΩ擋測量壓敏電阻兩引腳之間的正、反向絕緣電阻,均為無窮大,否則,說明漏電流大。若所測電阻很小,說明壓敏電阻已損壞,不能使用。

4 結(jié)語

由于功率放大器修理,要求更換到元器件級,對技術人員具備維修基本技能提出更高要求。因此,技術人員必須掌握功率放大器的組成及元器件在電路中的作用,掌握IGBT等新型器件的檢測,通過不斷地積累維修經(jīng)驗,才能滿足裝備技術保障的要求。

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New Type of Sonar Power Amplifier Overhaul Method

ZHENG Xichu

(No. 92823 Troops of Navy, Sanya 572021)

The kind of power amplifier was introduced. Secondly, the working principles of a new type of sonar power amplifier were studied, and the overhaul way was presented.

power amplifier, IGBT, overhaul way

2014年7月10日,

2014年8月23日

鄭錫楚,男,碩士,高級工程師,研究方向:裝備技術保障。

TN722.7

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.039