新型声纳功率放大器的检修方法*

郑锡楚

(海军92823部队 三亚 572021)



新型声纳功率放大器的检修方法*

郑锡楚

(海军92823部队 三亚 572021)

论文通过介绍功率放大器的种类,研究新型声纳功率放大器的工作原理,提出对其检修的方法。

功率放大器; IGBT; 检修方法

Class Number TN722.7

1 引言

声纳装备主动方式工作时,发射信号源按指定的工作方式产生发射信号,送至发射功率放大器,将发射信号进行功率放大,每路功率放大器输出信号经基阵接口,分别送至换能器阵元,向水中辐射声波。

功率放大器通常分为A类、B类、AB类、C类、D类和T类等,其中,A、B和AB类放大器早为人熟知。C类放大器一般用于射频或振荡器。T类放大器是一种新型放大器,具有AB类放大器的保真度和D类放大器的高效率。A类放大器可用一只晶体管,工作在线性区,放大器输出几乎无失真,但效率非常低。B类放大器由两只晶体管组成推挽结构,每个晶体管放大半周期的正弦信号,效率高于A类放大器,但在正弦信号过零时会产生非线性失真。AB类放大器兼有A类和B类放大器的特性,采用可向每只晶体管提供小偏置电流的电路,每个晶体管都不会完全截止,因此,失真较小,但功率损耗较大。

在D类放大器中,用作放大的晶体管几乎总是处于或者导通或者截止的状态,只有从一个状态跃变到另一个状态的过渡阶段才进入线性区域,因此,其功率损耗比线性放大器小得多,效率可达85%甚至90%以上。

由于功率放大器在高压大电流状态下工作,而且负载(换能器)特性变化较大,甚至会出现负载短路等异常状态,所以出现故障的概率相对其他部分要高。在装备现场修理,要求更换到元器件级,且为了保证人身安全,必须采用断电离线修理方式,因此深入研究其工作原理,掌握元器件性能好坏的检测和判别方法,才能快速、高效地排除故障,圆满地完成装备技术保障任务。

2 工作原理技术

由于D类谐振功率放大器中有源器件在开关状态下工作。有时又称为斩波器型放大器。

D类谐振功率放大器由于效率高,在声纳站中应用有重要意义。在同等条件下,D类放大器能明显地增加输出功率。如果在同等的输出功率下,采用D放大器能明显地减小直流输入功率,也就是能减小电源的体积。另外,由于功率消耗的显著降低,便能大大减小散热器的体积和重量,这就大大减少了发射机的体积和重量。还有,由于功耗的降低,也能降低器件本身的结温,这自然提高了发射机的可靠性。

由于发射信号源产生的发射电信号功率是很小的,而声纳发射机要求末级输出功率很大,往往要达到几十千瓦、甚至兆瓦级的脉冲功率,所以必须进行功率放大。在五十年代到六十年代初,声纳发射机的功放级多采用电子管。六十年代中,由于可控硅的发展,以后的声纳发射机末级功率放大多采用可控硅逆变器。目前,由于大功率晶体管和大功率场效应管的出现,它比可控硅稳定可靠,因此它逐渐代替了可控硅管。

某型潜用综合声纳和某型回音声纳是国产新型舰艇声纳装备,其功率放大器均采用变压器耦合D类开关放大电路,由主电路、推动级、过压过流保护及滤波网络组成,电路基本相同,且都采用IGBT器件,如图1所示。

功放主电路如图2所示。在图1中,Vl和V2为IGBT绝缘栅双极晶体管。由驱动级送来的方波激励信号,分别加到Vl、V2管的栅极Gl、G2端,使两管轮流处于饱和导通与截止状态。当一管饱和导通时,另一管处于截止状态。这样在Vl、V2的集电极与发射极之间得到一矩形方波,幅度为电源电压的两倍。变压器初级一半绕组上得到幅度为电源电压的方波电压,该电压经过变压器次级加到负载RL上。由于LC滤波,在负载RL上就得到良好的正弦波,如图3所示。

图2 功率放大器原理图

R3、R4、R5、R6为MY31系列压敏电阻,起过压保护作用,C1、R7-10和C2、R11-14组成RC瞬压吸收电路,C1、C2为聚丙烯电容器(CBB),是一种负温度系数无极性电容器。

图3 功率放大器波形图

V1、V2为IGBT。IGBT是新一代复合型电力电子器件,它的控制级为绝缘栅控场效应晶体管,输出级为双极功率晶体管,具有输入阻抗高、驱动简单、导通压降小、耐压高、电流密度大、功率可以达到5000w等特点,是功率开关器件的首选器件。

3 故障的定位与器件检测

3.1 故障定位

由于声纳发射机有多个相同的功率放大器,可以通过交换将故障定位到具体某路功率放大器。功率放大器断电离线的检修,可按以下步骤进行进一步定位和排除:

1) 检查保险丝。若保险丝熔断(其一端的红点通常会弹出),则进行更换;

2) 检查主电路。首先观察外观有无异常,然后用万用表二极管档测试,S端与D端之间应呈二极管特性。如果发现DS或GS短路,则更换IGBT。

3) 更换IGBT。由于IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离,该氧化膜很薄,其击穿电压一般达到20V～30V,常常因静电而导致栅极击穿而导致IGBT失效。因此,更换过程中要注意:(1)在IGBT使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸;(2)在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块;(3)尽量在底板良好接地的情况下操作。

3.2 器件检测

3.2.1 IGBT的检测

IGBT有三个电极,分别称为栅极G(也叫控制极或门极)、集电极C(亦称漏极)及发射极E(也称源极)。将万用表拨在R×10kΩ挡,用黑表笔接IGBT的集电极(C),红表笔接IGBT的发射极(E),此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极(G)和集电极(C),这时IGBT被触发导通,万用表的指针摆向阻值较小的方向,并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E),这时IGBT被阻断,万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。任何指针式万用表皆可用于检测IGBT,注意判断IGBT好坏时,一定要将万用表拨在R×10kΩ挡,因R×1kΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT导通,而无法判断IGBT的好坏。若进行第二次测量时,应短接一下源极(S)和栅极(G)。

3.2.2 压敏电阻的检测

用万用表的R×1kΩ挡测量压敏电阻两引脚之间的正、反向绝缘电阻,均为无穷大,否则,说明漏电流大。若所测电阻很小,说明压敏电阻已损坏,不能使用。

4 结语

由于功率放大器修理,要求更换到元器件级,对技术人员具备维修基本技能提出更高要求。因此,技术人员必须掌握功率放大器的组成及元器件在电路中的作用,掌握IGBT等新型器件的检测,通过不断地积累维修经验,才能满足装备技术保障的要求。

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[10] 认知特点 把握规律 科学指导新装备维修保障[J].通用装备保障,2011(1):41-42.

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

郑锡楚,男,硕士,高级工程师,研究方向:装备技术保障。

TN722.7

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.039