淺談500kW短波發射機雙功率模塊技術特性

劉 瑋

（國家新聞出版廣電總局五九四臺，陜西 咸陽712028）

0 引言

TSW2500型500kW短波發射機是目前世界上最先進的短波發射機之一,PSM發射機的主要組成部分有：射頻級，脈階調制器（PSM），發射機控制部分，電機控制,電源和冷卻部分，相關的安全裝置用于保護工作人員的安全。射頻部分包括合成器、預放大級、驅動級、末級。末級電源由脈階調制器（PSM）供給。射頻末級電源由PSM部分處理后供給，PSM控制部分根據選擇的調制模式進行數字信號處理，并監控功率模塊。發射機控制部分是操作者或控制計算機和發射機之間直接的聯絡界面，它用于順序開關發射機，并幫助操作者發現和排除故障。電機控制系統根據選擇的頻率來定位各路調諧元件。所有MP電機和MS開關可自動或手動操作。PSM調制器共由26塊可編程控制雙功率模塊組成，調制器控制電路全部采用計算機技術和可編程邏輯器件(PLD)。雙功率模塊的控制單元應用了微控制器和可編程邏輯器件，大大提高了發射機調制方式方面的自動化控制程度和水準，其調制模式可以在標準調幅雙邊帶，浮動載波控制AM和高、低選擇的單邊帶，以及數字廣播(DRM)中任意切換。充分體現了計算機技術和可編程邏輯器件的應用給廣播發射機帶來的新技術革新。

1 功率模塊組成結構

PSM功率模塊組采用26個雙功率模塊設計分為兩大類：公共部分包含了模塊所需的通用器件，如保險F1,變壓器T11,電流互感器LEM,模塊阻流圈L24,接地開關放電電阻R21/R22,電容充電電路等；功率部分作為模塊的核心，包含IGBT,整流二極管V1-V6,電容組C20A-C20H,IGBT控制電路。

2 PSM調制的特性和功率模塊工作原理

PSM調制的工作特點和性能：如果某個功率模塊關斷，通路不會切斷，一個所謂的空轉二極管（FD）并聯到每個功率模塊，可以旁路所在模塊的電流。某個功率模塊故障通常會被忽略，因為這將僅僅在調制度大于96%時有影響。如果調制度如此高，唯一的影響是調幅被限制在96%。這種影響用耳聽很難辨出，故障的功率模塊可在節目空隙時更換。如發射機不運行滿載波功率，一個模塊故障根本不會產生影響。已經提及，輸出功率由單獨合斷一定數量功率模塊產生。假設開始時輸出電壓為零，那么在某個時刻第一個功率模塊被合上（它可以是52個功率模塊中的任一個），輸出電壓會增加到一個臺階電壓值。電流會流經關斷模塊的空轉二極管，再經低通濾波器到負載。如果再需要合上模塊，則輸出電壓會相應增加，輸出電壓可通過改變合上模塊數量由零增加到載波電壓的2倍。脈階調制器根據輸入的音頻信號計算瞬時要求的功率模塊數。當無音頻信號時，會產生射頻末級輸出載波功率需要的DC電壓；取決于所加的音頻信號，輸出電壓會在0至2倍DC載波電壓之間變化，瞬時合上的功率模塊數會在0值52之間變化。脈階調制器控制系統監測所有功率模塊以及它們的負載平衡情況。上面提到的方法顯然不能提供符合要求的精確理想的輸出電壓，產生的誤差必須補償，這點是通過在粗臺階調制中插入PDM補償。PDM脈沖幅度等于一個臺階電壓，脈沖寬度與瞬時誤差成比例。這些脈沖也是由用于粗調的功率模塊產生。由此產生的開關頻率用低通濾波器濾除。在射頻末級屏極得到理想的無失真幅度調制包絡。

可編程控制雙功率模塊的基本原理見圖1，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，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。

圖1 雙功率模塊原理

每個功率模塊使用一個IGBT（絕緣門雙極晶體管）作為開關元件，配合簡單的外部電路就可以實現快速地合、斷。IGBT控制單元（ZSE21）控制開關元器件的合、斷并對其進行實時監測。監測內容包括臺階電壓、功率模塊輔助電壓、開關元件和功率模塊輸出電流等，如某個值超出允許值，控制系統會通過斷開交流接觸器（K1）來關斷功率模塊，IGBT控制單元（ZSE21）通過光纖連接到PSM控制系統，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控制系統任何時候都能得到功率模塊的瞬時狀態信息。

3 功率模塊的軟開關設計

由于模塊使用了大容量的電容組，在高電壓直接充電時產生的浪涌電流只能靠模塊上很小的電感分量來限制，在這種情況下保險將不會起到保護模塊的作用，為避免充電時產生大的電流損壞設備，模塊采用了軟開關電路見圖2，當發射機處于STANDBY（待機）狀態時模塊通電，此時K1是斷開的，整流二極管V8組成兩個單相半波整流電路，先由2個單相半波整流電路經R21和R22限流后，給兩組電容慢速充電至一定電壓，約10秒鐘后，K1動作。通過三相整流電路再給電容快速充電，避免了直接快速充電引起變壓器次級沖擊電流過大，進而損壞元件。采用軟開關措施當K1吸合時，充電電流被限制在400A以下。

充電回路：

●當T相為正電壓時：

T 相—保險（F6）—V8（1，2）—R21—電容 A，B，C，D—中線

●當T相為負電壓時：

中線—電容 E，F，G，H—R22—V8（3，1）—保險（F6）—T 相

圖2 軟開關功能

4 功率模塊的開關元件IGBT

IGBT組件可以使用東芝的MG150Q2YS40或西門子生產的BSM50GAL120D。這些半導體器件的額定電壓為1200V，額定電流為150A。在模塊上最大使用了定額值的60%，留出了充分的余量，保證了使用的安全性。機器上目前采用的是東芝的產品。2個IGBT、2個快速恢復二極管作為一個半波電路被集成在一個固態模塊中。一個IGBT作為開關使用（它的二極管沒有使用），另一個IGBT的二極管作為空轉二極管來使用，也就是說第二個IGBT沒有使用，在工作過程中一直處于關斷狀態。這樣設計有一個優點，就是大大減少了從開關到空轉二極管之間的引線電感。從而防止了模塊頻繁開關引起的寄生振蕩。

系統的設計采用了4層印刷電路板，內部連接更為簡便，只有很少的電感成分，所以IGBT不需要安裝緩沖元件。這也進一步減少了IGBT的損耗，并且確保它即使在短路的情況下也可以安全地關斷。IGBT由TSM控制系統靠光纖輸入A101進行控制，控制信號由模塊控制系統來監測，且系統考慮了最小指令周期和最大開關頻率以保護IGBT。

5 功率模塊的仿真測試

由于發射機長時間滿負荷工作且故障經常就出現在公共部分和功率部分，但對于上述問題，除保險類故障外，我們無法準確判斷出是那一部分的故障。考慮到PSM模塊都是懸浮與高電位，在發射機上無法進行測試，于是這里引入超級終端測試環境VT100（計算機）超級終端，用光纖短路光纖接口；屏幕的上方將會顯示模塊的各項測試數據，模塊的控制部分通過測量系統可得到多達15個物理量的模塊工作狀態信息，模擬信號有：5個模塊電壓，2個電流；數字信號有：溫度，保險狀態，過/欠流，過/欠壓等等。

6 模塊模塊的技術特性

（1）該可編程控制雙功率模塊與DRM廣播兼容，不需做任何改動。

（2）可編程雙功率模塊控制單元（ZSE21）采用微控制器（80C196KC）和可編程邏輯器件（EPM7160）相結合，具有高度智能化,通過多個采樣點提供的數據，對雙功率模塊的運行狀態進行實時監測。

（3）模塊控制單元設有RS232串行接口，串口通過DB25端子與外部設備進行連接，通過該接口可對模塊進行測試。

（4）模塊驅動電路采用半橋電路雙通道驅動電路顯著特點是具有保護功能的驅動電路，不但能在正常工作狀態下給IGBT提供所需的驅動功率，在異常工作狀態下能起保護IGBT防止短路的作用，并且能夠使得IGBT具有良好的可替換性。

（5）調制器控制的控制模塊開關的指令，要經過模塊自身控制系統對模塊狀態的進行自檢后，才能決定是否執行，有效的確保元器件的安全。

7 結束語

本文針對TSW2500型500kW短波發射機PSM功率模塊的技術性能從其組成結構和工作原理以及測試環境做了簡單分析，在實際工作中影響PSM功率模塊技術性能指標的因素很多，還需要加強維護設備。上述描述肯定又不全面的地方，在今后工作中還需要不斷的總結和分析。