新型數(shù)字功率模塊和控制板的保護原理以及典型故障解析

李劉奇

國家新聞出版廣電總局542 臺，北京100045

0 引言

在大功率短波發(fā)射機中，功率模塊由于數(shù)量多、工作電壓高、工作電流大、開關(guān)動作頻繁，故其穩(wěn)定性直接關(guān)系到發(fā)射機運行的穩(wěn)定。為了與DMR2000 數(shù)字調(diào)制器更好的配合工作，從而達到最佳的電聲指標，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)播音的目標。由無線電臺管理局開發(fā)處自主研發(fā)設(shè)計了新型數(shù)字功率模塊和控制板。為了便于改造工作的進行和后期的維護，新型數(shù)字功率模塊和控制板的外形和安裝尺寸均與模擬的功率模塊和控制板保持一致。但是全新的數(shù)字電路系統(tǒng)帶來了全新的工作原理尤其是大幅提高對于功率模塊的保護效率，使功率模塊的運行更加穩(wěn)定。

1 典型故障解析

1.1 發(fā)射機加高壓后大量功率模塊出現(xiàn)故障指示

故障現(xiàn)象：發(fā)射機加高壓后，初始D7、D8 板（調(diào)制接口板）所有功率模塊工作指示燈（綠燈）正常全部亮起，隨后幾秒鐘后功率模塊工作指示（綠燈）相繼滅掉，故障指示燈（紅燈）亮起，隨著故障指示燈亮起數(shù)量增加，調(diào)制器判斷損壞功率模塊數(shù)超過最高限值（15塊）從而是發(fā)射機落高壓。

故障分析：

1）過流保護：由于從調(diào)制器總體輸出到高末電子管屏極的整個回路中出現(xiàn)短路導(dǎo)致功率模塊上電流超過限定閥值，引起過流保護。

過流保護原理：通過功率模塊上的高速電流傳感器（取代模擬功率模塊上的康銅絲，相比于康銅絲電流傳感器的精度更高，響應(yīng)快：在1us 內(nèi)將功率模塊的過流信息傳遞給模塊控制板）對功率模塊的工作電流進行實時檢測，并將電流采樣值（電流傳感器以1:1000 的比例對采樣電流進行轉(zhuǎn)換，次級輸出電流為25mA，可以通過調(diào)節(jié)測量電阻改變次級輸出到控制板的信號電壓值，從而調(diào)節(jié)過流保護閥值。）與參考電壓值進行比較，結(jié)果傳送給模塊控制板的控制邏輯（CPLD）判斷，當出現(xiàn)電流超限時，切斷功率模塊輸出，保護功率器件。

圖1 過流保護原理框圖

2）失步保護：調(diào)制器總體輸出到高末電子管屏極的整個回路中出現(xiàn)開路可能會導(dǎo)致功率模塊關(guān)閉后在無負載的情況下IGBT 中DC 管的輸出電荷（雜散電容）泄放不掉，使系統(tǒng)判斷功率模塊仍然打開，觸發(fā)失步保護，關(guān)閉功率模塊進行保護。

失步保護原理（圖2）：

實時采樣功率模塊（IGBT）的開關(guān)情況，信號經(jīng)光藕后輸入CPLD 與光收器收回的數(shù)字調(diào)制器控制信號（進過整形、延時）進行異或比較，結(jié)果由CPLD 判斷，當出現(xiàn)失步保護時切斷功率模塊輸出，保護功率器件。另會傳送一組失步脈寬信號經(jīng)過ADC 后給到單片機，最終經(jīng)光發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)（功率模塊的狀態(tài)以及采樣電壓值）給數(shù)字調(diào)制器進行功率模塊的狀態(tài)指示并停止參加模塊循環(huán)隊列。

圖2 失步保護原理框圖

解決辦法：連接調(diào)制器D5 板（綜合算法板）串口后，在發(fā)射機加起高壓后實時采集（保護瞬間）的數(shù)據(jù)，以”FF”為數(shù)據(jù)包頭，字節(jié)56～183 為模塊電壓值，其中每兩個字節(jié)代表一個模塊電壓（有效位14bit，其中高4 位為狀態(tài)位，低10 位為電壓值），共64 個模塊，只用前48 個。如 果高四位為0011，則代表目前模塊處于失步保護狀態(tài)；如果高四位為1001，則代表目前模塊處于過流保護狀態(tài)。清楚了引起保護的具體原因則可有針對性的查找問題源頭。

1.2 關(guān)于數(shù)字系統(tǒng)需要充分放電的問題

故障描述：當發(fā)射機落高壓與再次加高壓的間隔時間小于1.5s 時，會出現(xiàn)大面積的功率模塊的工作指示燈不亮而故障指示燈亮，甚至導(dǎo)致發(fā)射機落高壓保護（故障模塊超過15 塊）。

故障分析：功率模塊關(guān)閉后，功率模塊上的數(shù)字功率模塊控制板的供電電路中濾波電容需要充分放電。在數(shù)字系統(tǒng)中，如果電容 放電不完全即開始重新充電工作，會導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)進入一個不穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)字芯片本身進入死鎖狀態(tài)，從而導(dǎo)致控制板工作不穩(wěn)定給出故障指示。

圖3

解決辦法：每次發(fā)射機落高壓到下次加高壓的間隙大于1.5s 以上，給與電容充分放電的時間即可。

1.3 功率模塊保護過于靈敏的問題（欠飽和保護）

故障描述：發(fā)射機加高壓后，加調(diào)幅至70%～90%時，功率模塊開始陸續(xù)出現(xiàn)故障指示而退出工作，直至超出最大可損壞功率模塊數(shù)的限制，發(fā)射機自動保護落高壓。

故障分析：調(diào)幅度增大帶來發(fā)射機輸出電流增大，功率模塊輸出電流增大，數(shù)字功率模塊控制板的失步電平進一步增大，失步脈寬變寬，導(dǎo)致消隱C3 電容充電速度變快；當消隱電容C3 端電壓充電至6.5V 時(閥值)，IGBT 仍然不能充分導(dǎo)通，此時經(jīng)MC33153 芯片內(nèi)部比較器判斷給出欠飽和故障指示，功率模塊控制板控制功率模塊停止工作。

欠飽和工作原理：當功率模塊控制板的光收器收到來自于數(shù)字調(diào)制器的打開信號后，在無其他故障保護前提下，經(jīng)過光藕進行光電隔離后輸入IGBT 驅(qū)動芯片MC33153，經(jīng)芯片輸出驅(qū)動IGBT 打開與關(guān)斷。當當前信號為關(guān)閉IGBT 指令時，芯片輸入端為高電平，輸出驅(qū)動級為低電平，而此時位于芯片內(nèi)部消隱比較器旁的NPN 三極管輸入為高電平，三極管導(dǎo)通從而鉗位比較器的輸入，防止出現(xiàn)故障指示；當IGBT 打開后，MC33153芯片的8 腳（欠飽和輸入引腳）內(nèi)部的電源經(jīng)過8 腳外部的二極管D1、D2 進行泄放，從而保證8 腳的無積累電壓； 當IGBT 柵極為高電平，IGBT 打開，8 腳外部的二極管關(guān)短，此時芯片8 腳內(nèi)部的消隱比較器輸入端的電源開始為消隱電容C3 進行充電，當C3 端電壓達到6.5V（消隱比較器閥值）時，如果IGBT 仍沒有充分打開，此時消隱比較器會給輸出低電平信號并與芯片輸入信號相與后饋入短路和過流鎖存器，過流鎖存器會在剩余周期內(nèi)關(guān)閉IGBT。同時由芯片7 腳輸出故障指示信號經(jīng)過光電隔離后給到CPLD，進行欠飽和保護，關(guān)閉模塊，保護功率器件。

圖4 欠飽和保護原理框圖

圖5 MC33153 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

解決辦法：設(shè)計之初的控制板消隱C3 電容值為10pf，設(shè)計目的是以保護為主，可能會使控制板的欠飽和保護工作在臨界狀態(tài)，會比較容易造成超出臨界狀態(tài)而保護的現(xiàn)象，將消隱電容C3 值改為2.2nf（標準設(shè)計），延長消隱時間，提高了發(fā)射機功率模塊關(guān)斷門限電平，即可解決此問題。

2 結(jié)論

由于新型數(shù)字功率模塊控制板出色的保護設(shè)計，當功率模塊運行過程中出現(xiàn)故障時可以在第一時間進行快速保護，不僅可以更好保證發(fā)射機的運行不受故障功率模塊的影響，從而保證了發(fā)射機的穩(wěn)定運行。同時也有效的延長了功率模塊的使用壽命。推廣運行幾年來，故障損壞率低，運行穩(wěn)定。

[1] 劉洪才.廣播發(fā)射新技術(shù)[M].中國廣播電視出版社，2010.