DF100A型短波發(fā)射機(jī)功率開(kāi)關(guān)模塊原理的分析

關(guān)鍵詞：功率開(kāi)關(guān)模塊;功率控制板;DF100A;短波;發(fā)射機(jī)

中圖分類號(hào)：TN838 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）06-0040-03

Keywords：power switch module;power control board;DF100A;shortwave;transmitter

0 ?引 ?言

DF100A型短波發(fā)射機(jī)采用了脈沖階梯調(diào)制（PSM）技術(shù)來(lái)產(chǎn)生音頻調(diào)制電壓和直流屏壓。它的調(diào)制電壓全部來(lái)自功率開(kāi)關(guān)模塊，高末屏壓由48個(gè)功率模塊提供，高末簾柵壓由2個(gè)功率模塊提供。這些功率模塊在工作中都是高電壓，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)70KHZ，而且工作環(huán)境溫度也比較高，鑒于這些原因，功率開(kāi)關(guān)模塊的故障比較多。因此本文簡(jiǎn)述了功率開(kāi)關(guān)模塊的相關(guān)原理，對(duì)功率開(kāi)關(guān)模塊的故障進(jìn)行了分類分析。

1 ?功率開(kāi)關(guān)模塊IGBT的基本特性

IGBT是一個(gè)絕緣柵三極管模塊，它是由保護(hù)管（AC管）和開(kāi)關(guān)管（DC管）組成的。AC管和DC管受到功率控制板加在柵極和發(fā)射極之間的電壓的控制，高電平1導(dǎo)通，低電平0關(guān)斷。CR8、CR10是箝位二極管，CR7、CR9為浪涌電壓保護(hù)管。R12、R13用于檢測(cè)AC管及外電情況，通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換成37kHz信號(hào)。R9、R10、R11用于檢測(cè)DC管狀態(tài)，判斷其是否失步。4個(gè)0.1Ω電阻絲并聯(lián)作為過(guò)流取樣電阻，當(dāng)通過(guò)電阻絲的電流超過(guò)30A時(shí)，取樣電壓超過(guò)0.7V，使得功率控制板過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作。

功率開(kāi)關(guān)模塊的上限工作頻率為10KHZ左右，工作速率為400ns，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)接通時(shí)，它可以向負(fù)載提供最大7kW的功率。功率開(kāi)關(guān)模塊的核心元器件為晶體管Q1，它是一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管，由BJT雙極型三極管和mos絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，既具有MOSFET器件的高輸入阻抗，驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件的低導(dǎo)通壓降而容量大的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大。MOSFE驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。這些特性非常適合應(yīng)用于功率開(kāi)關(guān)模塊。

2 ?DF100A型短波發(fā)射機(jī)功率開(kāi)關(guān)模塊工作原理簡(jiǎn)述

2.1 ?功率開(kāi)關(guān)模塊的電源部分

功率開(kāi)關(guān)模塊是由兩臺(tái)輸入為3φ380VAC的調(diào)制變壓器供電。輸出24組3φ500VAC，送到48個(gè)功率模塊。經(jīng)過(guò)F3、F4、F5三個(gè)保險(xiǎn)絲后到達(dá)CR6、CR4、CR2雙二極整流管模塊組成的三相橋式全波整流電路。整流輸出電壓的儲(chǔ)能由C3和C4完成，它們也是電路中的濾波電容。C3和C4的耐壓為450V左右，電容容量的大小約為1000uF。R3和C3并聯(lián)，R4和C4并聯(lián)，R3和R4分別為C3和C4電容的泄放電阻。R14和R14串聯(lián)一個(gè)發(fā)光二極管DS1組成一條支路作為電容器C3和C4的電壓情況指示電路，在功率開(kāi)關(guān)模塊正常工作期間，這條支路兩端有近700V的電壓使得DS1發(fā)光二極管發(fā)光。當(dāng)發(fā)射機(jī)關(guān)機(jī)后，電容C3和C4在通過(guò)R3和R4放電，使得這條支路的電壓逐漸降低，導(dǎo)致DS1逐漸熄滅。當(dāng)DS1發(fā)光二極管徹底熄滅時(shí)，就說(shuō)明電容上的電已全部放完，此時(shí)功率開(kāi)關(guān)控制板上已經(jīng)無(wú)電壓，可以通過(guò)DS1發(fā)光二級(jí)管的指示來(lái)判斷功率開(kāi)關(guān)模塊有無(wú)電壓，它是一個(gè)安全指示電路，起到一個(gè)安全指示的作用。當(dāng)700V的直流電壓加到IGBT上時(shí)，該700V的電壓加至Q1中的AC管的集電極。當(dāng)控制器發(fā)出一個(gè)合AC管的指令后，控制柵極負(fù)載電阻R8上獲得一個(gè)高電平，使得AC管工作在導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)700V的直流電壓由集電極傳至發(fā)射極。在正常工作時(shí)，AC管輸出為一個(gè)固定的700V直流電壓加至DC管的集電極上。當(dāng)Q1中的DC管的控制柵極的負(fù)載電阻R7上獲得一個(gè)來(lái)自控制器2的合DC管的高電平指令時(shí)，DC管工作在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)700V直流電壓從DC管的集電極傳至發(fā)射極，從而向負(fù)載端提供700V的直流電壓。在功率開(kāi)關(guān)模塊正常工作時(shí)，DC管向負(fù)載輸出的是一個(gè)0到700V的跳變脈沖波。

壓敏電阻RV1、RV2、RV3是一種具有非線性伏安特性的電阻器件，主要用于在電路承受過(guò)壓時(shí)進(jìn)行電壓鉗位，利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間的時(shí)候。壓敏電阻可以將電壓鉗位到510V，當(dāng)輸入電壓高于510V時(shí)，進(jìn)入負(fù)阻導(dǎo)通區(qū)，使輸入電壓被箝位在510V左右。當(dāng)輸入電壓低于510V時(shí)，RV1、RV2、RV3呈開(kāi)路的狀態(tài)。它們的作用是防止來(lái)自供電電源上的浪涌電壓。當(dāng)外電過(guò)高時(shí)，將輸入電壓箝位于510V左右。R3、R4為C3、C4的泄放電阻。DS1用作電源指示，當(dāng)高壓接通后，當(dāng)本模塊整流濾波電壓正常，此燈就會(huì)亮。斷高壓后，C3、C4通過(guò)R3、R4放電，DS1逐漸熄滅。通過(guò)變壓器產(chǎn)生兩組14V交流電源送到功率控制板。控制板上再經(jīng)整流、濾波及穩(wěn)壓后，產(chǎn)生12VA和12VB兩組直流電源，用作功率控制板的工作電源。

2.2 ?功率控制板的作用

在功率開(kāi)關(guān)模塊的輸出端接了2個(gè)47千歐的電阻和DS2發(fā)光二極管串聯(lián)，它們所組成的支路用于指示當(dāng)前功率開(kāi)關(guān)模塊是否正常工作。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)模塊正常工作時(shí)，DC管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，由于DC管的工作頻率高，DS2發(fā)光二極管總是亮著的。如果功率開(kāi)關(guān)模塊出現(xiàn)故障，則AC管被切斷，DS2發(fā)光二極管的兩端無(wú)電壓使得DS2處于熄滅狀態(tài)。輸出高電平1或低電平0，直接控制本級(jí)模塊AC管及DC管的通和斷。失步保護(hù)電路監(jiān)控DC的管狀態(tài)，并判斷其與控制信號(hào)是否保持同步，一旦失步將拉開(kāi)AC管，使本級(jí)模塊徹底關(guān)斷并退出循環(huán)導(dǎo)通。為防止失步保護(hù)電路誤動(dòng)作，電路設(shè)置了1秒左右的延時(shí)，即失步1秒以后拉開(kāi)AC管。當(dāng)功率控制板長(zhǎng)時(shí)間未接收到合模塊的光信號(hào)時(shí)關(guān)斷AC管。當(dāng)功率模塊中電流超過(guò)30A時(shí)，過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，暫時(shí)斷開(kāi)DC管。若過(guò)流時(shí)間持續(xù)超過(guò)1秒，控制板將斷開(kāi)AC管。AC管狀態(tài)及外電檢測(cè)將外電情況及本級(jí)模塊工作狀態(tài)通過(guò)光纜反饋給開(kāi)關(guān)狀態(tài)板。

在IGBT導(dǎo)通時(shí)，可能有700V至14kV不等的高壓，因此在維護(hù)中要引起注意，做好相關(guān)的安全防范工作。功率開(kāi)關(guān)模塊具有故障自檢功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，它可以從整個(gè)調(diào)制器中脫離開(kāi)來(lái)，從而不影響調(diào)制器的整體工作。如果DC管發(fā)生開(kāi)路或者短路故障時(shí)，控制器上的一個(gè)鑒相電路將判別出這個(gè)故障而將AC管切斷，從而使故障的功率開(kāi)關(guān)模塊脫離工作電路，并且使得相關(guān)的電路做出相應(yīng)的處理。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)模塊發(fā)生短路時(shí)，使得啟動(dòng)一個(gè)光絕緣后，將DC管斷開(kāi)。如果短路現(xiàn)象一直持續(xù)，則啟動(dòng)鑒相器電路將AC管斷開(kāi)，使得故障的功率開(kāi)關(guān)模塊脫離調(diào)制器電路。

2.3 ?AC管和DC管的工作原理

在AC管和DC管的控制柵極和發(fā)射極之間并接了CR9和CR7，它們的作用是浪涌電壓保護(hù)管，具有穩(wěn)壓特性。另外并接于AC管和DC管的控制柵和發(fā)射極之間的CR10和CR8是箝位二極管，也具有穩(wěn)壓的特性。它們對(duì)電路起到了穩(wěn)壓和保護(hù)的作用。電路圖中的R9、R10、R11是功率控制板鑒相電路的一部分。R12和R13是功率控制板中的V/F轉(zhuǎn)換電路的一部分。功率模塊控制板1和功率模塊控制板2稱為功率開(kāi)關(guān)控制器。每一個(gè)功率開(kāi)關(guān)模塊上都裝有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)控制器板，它是功率開(kāi)關(guān)模塊的一部分。它與整個(gè)調(diào)制器控制器的聯(lián)系是通過(guò)兩條光纜實(shí)現(xiàn)的。其中一條光纜是傳送反應(yīng)本級(jí)功率開(kāi)關(guān)模塊的當(dāng)前工作狀態(tài)的信號(hào)。另外一條光纜是接受來(lái)自調(diào)制器控制器要求合上或者斷開(kāi)DC管的指令信號(hào)。

電路中的R1為限流電阻，F(xiàn)1為保險(xiǎn)，R2為限流電阻，F(xiàn)2為保險(xiǎn)。E2和E1通過(guò)R1和F1、R2和F2進(jìn)入T1和T2變壓器。T1和T2變壓器的兩組12V交流電壓分別加到兩套整流穩(wěn)壓電路，供給AC管控制電路使用12V電源和供給DC管控制電路使用12V電源。12V電源的地是接到AC管的發(fā)射極，當(dāng)本級(jí)功率開(kāi)關(guān)模塊處于正常工作時(shí)B點(diǎn)的電位是700V，則12V這組電源相對(duì)來(lái)說(shuō)為712V。而另外一組12V電源的地接至DC管的發(fā)射極，因此DC管在工作中時(shí)，電壓在0或者700V兩個(gè)電壓上進(jìn)行跳變，使得12V電源隨著DC管的導(dǎo)通而跳變?yōu)?12V，又隨著DC管的截止而跳變?yōu)?2V。

2.4  空轉(zhuǎn)二極管的工作原理

空轉(zhuǎn)二極管CR11的作用是在本級(jí)模塊斷開(kāi)時(shí)，為負(fù)載電流提供通路。當(dāng)IGBT合上時(shí)，電流經(jīng)過(guò)電源和IGBT。當(dāng)IGBT斷開(kāi)時(shí)，電流經(jīng)過(guò)電源和IGBT的分布電容Cs，并對(duì)Cs開(kāi)始充電。當(dāng)Cs兩端電壓充電到略大于電源E時(shí)，電流流過(guò)空轉(zhuǎn)二極管。因此這兩組電源在功率開(kāi)關(guān)模塊正常工作時(shí)的情況是不一樣的。通過(guò)了解這兩組電源的原理對(duì)于分析功率模塊控制板有著重要的意義。

3 ?維護(hù)要點(diǎn)

在維修功率模塊過(guò)程中，要在濾波電容放電完畢后才能進(jìn)行維修，需注意相關(guān)安全防范操作。因故障不能正常放電的，可以使用正常的泄放電阻對(duì)其進(jìn)行放電。由于泄放電阻R3、R4的焊點(diǎn)較大，應(yīng)該使用大功率烙鐵才能使焊錫完全融化，在操作中注意動(dòng)作要迅速，不要加熱過(guò)久損壞電路板。注意采取防靜電措施，盡量避免用手接觸IGBT驅(qū)動(dòng)極，以免損壞元器件。更換IGBT時(shí)，要在IGBT和散熱片處涂抹導(dǎo)熱硅脂，并均勻涂抹。IBGT和散熱片之間的螺絲要盡量擰緊。加電測(cè)試IGBT時(shí)要注意電壓極性，區(qū)分各引腳。在日常維護(hù)中，對(duì)故障的功率模塊要及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理。要根據(jù)實(shí)際情況合理安排檢修周期，對(duì)功率模塊各器件表面進(jìn)行清潔檢查、緊固模塊各接線柱和調(diào)制變壓器輸出接線柱，檢查各元件表面是否有變色、漏液、起鼓、爆裂等異常情況。在日常維護(hù)中應(yīng)該不定期地對(duì)模塊的隱性故障進(jìn)行排查，尤其是濾波電容和泄放電阻的故障比較多，IGBT擊穿的故障有時(shí)候也會(huì)發(fā)生。

4 ?結(jié) ?論

功率模塊是DF100A短波發(fā)射機(jī)調(diào)制器的基本單元，48個(gè)功率模塊留有6塊冗余量，即便有幾塊模塊在播音當(dāng)中損壞，發(fā)射機(jī)依然可以正常工作。但是功率模塊損壞的情況下會(huì)影響發(fā)射機(jī)的電聲指標(biāo)，由于其隱蔽性較大，因此也應(yīng)該及時(shí)處理這種故障，確保發(fā)射機(jī)的電聲指標(biāo)達(dá)到一個(gè)較好的狀態(tài)。在日常維護(hù)中，我們可以通過(guò)DS1發(fā)光二極管的指示燈起到一個(gè)安全指示的作用，來(lái)判斷功率開(kāi)關(guān)模塊的電容是否放電完畢。通過(guò)DS2發(fā)光二極管的指示燈來(lái)判斷功率開(kāi)關(guān)模塊是否正常工作，這樣能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的功率開(kāi)關(guān)模塊。還可以通過(guò)看、聽(tīng)、聞等一些比較直觀的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)故障的功率開(kāi)關(guān)模塊，排除潛在隱患。這也要求我在工作中，應(yīng)當(dāng)熟悉相關(guān)的業(yè)務(wù)知識(shí)，掌握好功率開(kāi)關(guān)模塊的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，才可以在日常維護(hù)中及時(shí)正確地處理故障，為保障發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廣播電視傳輸與發(fā)射運(yùn)行維護(hù)規(guī)程（DF100A418E/F型100KW短波發(fā)射機(jī)）[S].國(guó)家新聞出版廣電總局無(wú)線電臺(tái)管理局，2014.

[2] DF100A 100KW 短波發(fā)射機(jī)原理圖 [Z].北京北廣科技股份有限公司，2000.

[3] DF100A 短波發(fā)射機(jī)使用說(shuō)明書(shū) [Z].北京北廣科技股份有限公司，2001.

[4] DF100A及418E/F系列發(fā)射機(jī)維護(hù)圖冊(cè) [Z].北京：國(guó)家新聞出版廣電總局無(wú)線電臺(tái)管理局，2002.

[5] 陶嘉慶，李國(guó)華，等.418E/F型 100KW PSM短波廣播發(fā)射機(jī)維護(hù)手冊(cè) [Z].北京：國(guó)家新聞出版廣電總局無(wú)線電臺(tái)管理局，2005.

作者簡(jiǎn)介：徐晟（1989.08-），男，漢族，江西撫州人，助理工程師，本科，研究方向：通信工程。