500KW短波發(fā)射機PSM功率鏈路設(shè)計于實現(xiàn)

鄒坤英

【摘 要】本文闡述500KW短波發(fā)射機功率鏈路部分的總體設(shè)計要求，分析變壓器、 模塊機箱、功率模塊、模塊控制、濾波網(wǎng)絡等各個部分的設(shè)計思路和功能需求并且最終完成整個鏈路的實現(xiàn)，最后對該功率鏈路技術(shù)特點以及性能做出結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】PSM控制系統(tǒng)；功率鏈路；功率模塊

1 PSM功率鏈路設(shè)計總體要求

PSM功率鏈路主要由變壓器、功率模塊和低通濾波器三部分組成。調(diào)制變壓器為各個功率模塊提供相互獨立的電源。PSM發(fā)射機的高末屏極所需的載波電壓和調(diào)制電壓是由多套相同的PSM功率模塊串聯(lián)提供的。PSM濾波器接在調(diào)制器功率部分的后面，濾除PWM補償脈沖（100kHz）分量，將經(jīng)過濾波后純凈的音頻信號送到射頻末級的電子管屏級上。

2 PSM功率鏈路各部分設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 變壓器的設(shè)計

2.1.1 變壓器的安裝連接

PSM系統(tǒng)中共有兩臺調(diào)制變壓器，一臺是Y/Y接法，另一臺是△/Y接法。每臺變壓器每相有13個次級繞組，每3個次級繞組（U，V，W）共同給一個模塊提供三相電源，電壓為877V。兩臺變壓器的初級接到同一10KV高壓電源上，初級的星形繞組電壓分別與三角形繞組電壓同相，即星形繞組次級電壓比三角形繞組次級電壓的相位超前30度。同時，由于模塊上采用三相橋式整流對兩臺變壓器次級電壓進行整流，所以兩組整流器合成的輸出電壓紋波頻率提高一倍，形成一個十二相脈動整流方式。30度的相位差還帶來以下好處：

1）十二相的整流器可大大減少輸出直流電壓的紋波；

2）十二相的整流器負載可大大減少電源的失真。

在發(fā)射機安裝過程中，△/Y接法的變壓器一般給前13個雙功率模塊供電，Y/Y接法的變壓器一般給后13個雙功率模塊供電，由于功率模塊在工作過程中是循環(huán)的，所以這兩個變壓器交換位置并不會影響發(fā)射機的運行。如緊急情況使用兩臺一樣接法的變壓器也不會影響發(fā)射機的播出，但會對發(fā)射機的運行指標（特別是發(fā)射機的雜音）造成影響。

2.1.2 變壓器的安全保護設(shè)計

每臺變壓器都安裝有獨立的過流和短路保護設(shè)備，在變壓器的初級線圈的每相上都安裝有一個電流互感器（安裝在高壓柜內(nèi)），互感器的次級接到一個IKT保護繼電器，通過這些措施可提供以下保護功能：

1）提供延時時間和過流跳閘電流可調(diào)的過流保護（過流保護）；

2）發(fā)生短路故障時的立即跳閘保護（速斷保護）。

2.2 模塊機箱設(shè)計

500KW機的調(diào)制器包含26塊相同的雙功率模塊，所有模塊安裝在一個機箱內(nèi)，在模塊的上面安裝有低通濾波器，機箱的側(cè)面是機保開關(guān)，它們和變壓器一起安裝在一個單獨的區(qū)域內(nèi)。該區(qū)域四周都是封閉的，只有通過該高壓區(qū)的側(cè)門才能進入該區(qū)域，該門必須在機保拉下后用鑰匙才能打開，確保了人身的安全。各個功率模塊被平均分成5排，6列。每個模塊都安放在由絕緣材料制成的水平滑軌上。模塊的所有連接在高壓室內(nèi)都能方便的安裝與拆卸。濾波器位于模塊的上方。在濾波器到發(fā)射機的輸出端，并接了一個放電球，用來防止在負載阻抗突然降低時產(chǎn)生過電壓損壞電容。

發(fā)射機的主要通地開關(guān)和鑰匙聯(lián)鎖系統(tǒng)也安裝在該PSM機箱的側(cè)面。通過這個開關(guān)可以在打開門之前將電子管柵壓和板壓通地，與此同時，功率模塊的所有電容也通過這個開關(guān)接地。通地鉤作為附加安全設(shè)備裝在離功率模塊很近的地方。在進行模塊檢修時用來使設(shè)備接地，以確保安全。

本機的26塊功率模塊被設(shè)計為雙模塊結(jié)構(gòu)，即相當于有52個功率模塊。每個雙模塊都是一個獨立的單元，由2個TSM變壓器中的一個相對應于該模塊的次級線圈來給模塊供電。2個TSM變壓器的次級電壓相互移相30o，以便取得12脈動整流的效果。52塊模塊中的每一塊都代表了一個獨立的電壓源，可以單獨地開和關(guān)。并附加上一個小的輸出濾波器以減少PWM成分的幅度。

2.3 濾波網(wǎng)絡設(shè)計

PSM濾波器接在調(diào)制器功率模塊部分的后面，濾除由于進行PWM補償脈沖（100kHz）所產(chǎn)生的頻率分量，將經(jīng)過濾波后純凈的音頻信號送到射頻末級的電子管屏級上。PSM濾波網(wǎng)絡由筒型陶瓷電容和螺旋線圈組成，濾波器輸入端的線圈L450與功率模塊上的線圈L24一樣。在考慮和計算整個PSM濾波網(wǎng)絡的通帶范圍時必須要考慮到每個模塊上的濾波線圈。需要注意的是：在DSB模式時功率模塊使用的濾波線圈L24電感量為0.13mH，在發(fā)射機升級為DRM制式時，使用的濾波線圈L24電感量為0.08mH。濾波網(wǎng)絡的各元件使用絕緣材料固定在功率模塊上的框架上，并且濾波器的接地點是通過一根電纜從濾波電容的公共地端X401連接到了整流機箱的屏流取樣電阻R201（60A/2V）上，進行電流取樣監(jiān)測。

PSM濾波器是一個C/L濾波器，輸入端口的小電感（功率模塊阻流圈L24）是抑制寄生效應的，電容并聯(lián)接在濾波器線圈上，是為了對開關(guān)頻率分量的幅度有更好的衰減。在濾波器到發(fā)射機的輸出端，并接了一個放電球，用來防止在負載阻抗突然降低時產(chǎn)生過電壓損壞電容。

2.4 功率模塊設(shè)計

2.4.1 設(shè)計要求

功率模塊控制系統(tǒng)對模塊狀態(tài)采集和保護邏輯，通過多個采樣點提供的數(shù)據(jù)，比如模塊最大開關(guān)頻率、電流、模塊輸入交流電壓、模塊控制系統(tǒng)工作直流電壓、IGBT溫度、IGBT電流等，對雙功率模塊的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，模塊上任一采樣點的數(shù)據(jù)一旦超過所設(shè)定門限值，都能快速的進行判斷處理，及時關(guān)閉模塊，增強了模塊的控制和保護功能，大大提高了模塊的運行可靠性和安全性

2.4.2 功率模塊設(shè)計

圖4為功率模塊的設(shè)計原理圖，每塊雙功率模塊由對應的PSM變壓器次級線圈中的一組供電，經(jīng)模塊上的3相全波整流后得到直流電壓（也可稱為6脈動整流，對每個模塊來說相當于3相半波整流）。

模塊上的電源接通后，模塊上的電容開始慢速充電，此時所有功率模塊上接觸器（K1）都處于釋放狀態(tài)，約30秒后K1吸合，電容開始快速充電。模塊上的電源斷開后，電容（C）通過電阻（R）安全地放電。每個單功率模塊使用一個IGBT（絕緣門雙極晶體管）作為開關(guān)元件，配合簡單的外部電路就可以實現(xiàn)快速地合、斷。IGBT控制單元（ZSE21）控制開關(guān)元器件的合、斷并對其進行實時監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括臺階電壓、功率模塊輔助電壓、開關(guān)元件和功率模塊輸出電流等，如某個值超出允許值，控制系統(tǒng)會通過斷開交流接觸器（K1）來關(guān)斷功率模塊。

IGBT控制單元（ZSE21）通過光纖連接到PSM控制系統(tǒng)，這些光纖除傳輸控制信號（合、斷命令）外，也用于回傳信息，使TSM控制系統(tǒng)任何時候都能得到功率模塊的瞬時狀態(tài)信息。

2.5 功率模塊的組成

2.5.1 公共部分

該部分包含了模塊開關(guān)所需的通用器件，如保險（F2、F3），附屬變壓器，電流互感器，模塊的阻流圈，接地開關(guān)的放電電阻，電容的充電電路等。

1）附屬變壓器

附屬變壓器用來為模塊和接觸器K1提供48V的控制電壓。

2）阻流圈

為防止在模塊開關(guān)時由于變壓器的寄生電容與模塊的寄生電感振蕩產(chǎn)生大的振蕩電流，在每個模塊輸出端串連了一個阻流圈。與阻流圈并聯(lián)的電阻的作用是，對振蕩電流進行衰減，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3）電流互感器

電流互感器用來對模塊的輸出電流進行檢測，同時這部分電路還是模塊過流保護和輸出短路保護的組成部分。

4）過熱保護

由于模塊將所有發(fā)熱元件集中安裝在一個散熱器上進行散熱，同時在散熱器上安裝了一個溫度繼電器K201，當溫度繼電器檢測到溫度超過80攝氏度時，為了保護固態(tài)元器件該繼電器將吸合，通過繼電器接點給控制器一個過熱信號，控制器接到該信號后該模塊將被關(guān)斷。這個開關(guān)的過限動作由發(fā)光二極管 V111所指示。

5）保險保護系統(tǒng)

輸入電源的保護是通過S相和T相上的兩個80A速跳保險來實現(xiàn)的，這兩個保險通過一個機械連鎖的微動開關(guān)來對保險監(jiān)測，當保險動作后控制系統(tǒng)馬上關(guān)斷模塊，并標記該模塊為故障模塊，并將不參與以后的模塊循環(huán)。

6）模塊連線

由于功率模塊部分連線采用印刷線路板來實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的連線比較，大大減少了引線電感，進一步減小了數(shù)字方波的過沖現(xiàn)象，同時也減小了人為的連線錯誤。

2.5.2 功率部分

作為模塊的核心，該部分由以下器件組成：IGBT，整流二極管，電容組，IGBT控制板。為了減小寄生電感，該部分的設(shè)計非常緊湊，各部件之間的連線都是通過線路板來實現(xiàn)的。該部分可分為兩個子部分：一部分是由兩個IGBT，整流二極管和熱保護開關(guān)，散熱器組成的發(fā)熱部分。另一部分是由大容量電解電容組成的電容組。

同時系統(tǒng)還采取了以下措施來減小如IGBT開關(guān)等造成的干擾：

（1）功率模塊安裝在模塊功率板的上面；

（2）IGBT控制板上面采用屏蔽罩；

（3）IGBT控制板采用了板式接地，以保證接地良好。

3 功率鏈路技術(shù)特點

1）雙功率模塊控制板全部采用單片機和DSP數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)各種控制、運算功能。提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，同時也便于系統(tǒng)的升級，可以在不改變系統(tǒng)硬件的情況下，通過軟件的升級系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)的升級。

2）維護更方便。在模塊檢修時，可通過外接計算機通用串口和通用超級終端程序?qū)崿F(xiàn)對模塊的測試。為故障定位提供了方便，極大地減少了故障處理時間。

3）保護功能更加完善，保護速度更快，系統(tǒng)安全性更高。功率模塊采用高速數(shù)字信號處理器實現(xiàn)對模塊的各種保護邏輯，相對于分立元件來說速度更快，可靠性更高。保護項目更多、更安全，比如模塊最大開關(guān)頻率、電流、模塊輸入交流電壓、模塊控制系統(tǒng)工作直流電壓、IGBT溫度、IGBT電流等。

4）對控制系統(tǒng)和雙功率模塊可通過簡單的軟、硬件升級實現(xiàn)數(shù)字DRM廣播。

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[責任編輯：楊玉潔]