XL 全固态高功率中波发射机

2001-08-20 朱文星厦门广播电视局依马狮网

介绍

本文阐述了Nautel新开发的高效率、高功率和XL系列广播发射机的运行，且指出了其高于一些广播发射机新技术的明显优点。本文所重点讲述的是XL系列发射机里中波AM发射频段的60.0kW。

D级功率放大器

Nautel高效率和高稳定的宽带功率放大器引用了4个MOSFET，组成一个H形。下面图 1是其示意图：

图1 简化的RF功率放大器

这些MOFET在RF载波被驱动，作为一个开关来形成一个电压方波。管子Q1和Q4被驱动来饱和波的正半部分，Q2和Q3作为负半部分。被引入到T2变压器的初级输出电压是一个峰值等于电源电压的的方波。T2变压器的输出被连接到一个滤波电路。如果Q1到Q4是理想开关，D类放大器则可以达到100%的效率。然而，所有的MOSFET都有一个小的“on”阻抗（Rds-栅极源极间电阻）和一个相对大的栅极-源极容抗，在MOSFET器件就有了重要的元件损失。传导损失和开关损失可以用以下公式定义：

传导损失=I2Rds (1)

开关损失=Fc(B+)2Coss (2)

在这里：Rds栅源极间阻抗；Fc载频；Coss为MOSFET寄生输出容抗；B+为功率放大器电源电压。

等式（2）定义了MOSET的开关损失。在一个传统的D类放大器里，这可以是一个放大器的最大限制因素，因为在器件工作在1.6MHz且存在着大的栅源电压时会有过大的功率耗散。

XL发射机电路方框图

XL系列发射机使用一个创新的技术，它允许将近90%的寄生容抗存储功率转换到输出负载中。结果只有10%的理论开关损失在MOSFET耗散（等式3）。Nautel的新型D类功率放大器达96%的效率！功率模块的总效率，如图2所示，包括界面间调制器，RF功率放大器和输出合成变压器是96%。

开关损失≈（0.1）Fc（B+）2Coss （3）

RF功率放大器单元重240克；效率96%；输出功率800W，在载波时，100%连续音频调制时平均RF输出功率是1200W；尺寸：117×71×35mm。

如一个D类功率放大器，由8个IRFP460 MOSFET组成，产生800W的输出功率，Rds为0.40，MOSFET结合温度为75℃，在B+为130Vdc平均MOSFET寄生阻抗（Coss）等于500pf。通过每个MOSFET的RMS电流（π/2次的平均栅流）等于2.42A RMS。这样，合成序列损失（2.34W）加上开关损失（1.35W），每个MOSFET就是3.69W。由于每个MOSFET产生100W的输出功率，D类功率放大器是96.3%效率。

XL系列发射机不受重大的热力循环影响，因为所有的RF放大器在任意调制水平里都是连续工作。这是十分必要的，因为热力循环是引起器件故障的一个重要因素。

界面调制器

界面调制器由两个开关器控制的相同PDM组成，一个延迟1/2μs。每个调制器产生矩形波，然后两个矩形波各自被滤波之后再在RF合成器里相加。

这个调制器的特点包括：(1)高效率；(2)只需要一个简单的宽带低通滤波器来滤波实际的开关频率；(3)重要的是有更小的输入开关电流，这样减少了噪声且提高了负载频响来得到所需要的高性能。

这个调制器也使用了Nautel专利的电压补偿电路管允许调制器在无稳压的DC功率电源上工作。这样的结果是，少了一个花钱且无效率的稳压电路。

调制音频信号通过一个运行的放大器，在这放大器里面的反馈环有一个乘法器电路，之后产生一个模拟“分配”功能。电源电压的一个取样被引入到乘法器的另一个输入。用于产生PDM驱动信号的模拟输出结果就包括了音频调制信息和一个代表电源电压相关联性的成分。这样PDM信号自动操作来动态补偿电源的波动与噪声、负载稳定效果。

调制单元重260g；效率98%；输出功率1600W，在100%连续调制平均输出功率为2400W；尺寸117×71×35mm。

这样，在所有的XL系列高功率发射机里，就可省掉一个输入dc稳压器。这样高电压功率电源就很简单，花费很少且稳定。

串形合成器VS并列合成器

现代全固态发射机利用很大数目的功率放大器。它们的输出通过一个RF合成器进行功率合成，组成任意功率的发射机。

1.串形合成器

如图4所示，串形合成器在近来将近所有的全固态中波AM发射机里都会发现，在那儿功率放大器的输出被串起来就如Σ（V1...Vn）。这个合成器有一个内在的缺点。如果一个PA的低阻抗曾经被增大，如用一个已被替换的PA工作的发射机或在MOSFET在故障模式里栅源极电阻很大时，这样就会在串形合成器变压器上引入一个很大的电压。铁素体的过压会导致合成器的损伤。

一些商业AM发射机现在使用超过100个功率放大器，它们被连接成串形合成器。一个进入高阻抗模式的PA会很容易地损坏脆弱的合成器，而使发射机好长一阵子不能正常工作。