500KW短波發射機PSM功率鏈路設計于實現

鄒坤英

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

【關鍵詞】PSM控制系統；功率鏈路；功率模塊

1 PSM功率鏈路設計總體要求

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。調制變壓器為各個功率模塊提供相互獨立的電源。PSM發射機的高末屏極所需的載波電壓和調制電壓是由多套相同的PSM功率模塊串聯提供的。PSM濾波器接在調制器功率部分的后面，濾除PWM補償脈沖（100kHz）分量，將經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功率鏈路各部分設計與實現

2.1 變壓器的設計

2.1.1 變壓器的安裝連接

PSM系統中共有兩臺調制變壓器，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的，所以這兩個變壓器交換位置并不會影響發射機的運行。如緊急情況使用兩臺一樣接法的變壓器也不會影響發射機的播出，但會對發射機的運行指標（特別是發射機的雜音）造成影響。

2.1.2 變壓器的安全保護設計

每臺變壓器都安裝有獨立的過流和短路保護設備，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），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的過流保護（過流保護）；

2）發生短路故障時的立即跳閘保護（速斷保護）。

2.2 模塊機箱設計

500KW機的調制器包含26塊相同的雙功率模塊，所有模塊安裝在一個機箱內，在模塊的上面安裝有低通濾波器，機箱的側面是機保開關，它們和變壓器一起安裝在一個單獨的區域內。該區域四周都是封閉的，只有通過該高壓區的側門才能進入該區域，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生過電壓損壞電容。

發射機的主要通地開關和鑰匙聯鎖系統也安裝在該PSM機箱的側面。通過這個開關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接地。通地鉤作為附加安全設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備接地，以確保安全。

本機的26塊功率模塊被設計為雙模塊結構，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。并附加上一個小的輸出濾波器以減少PWM成分的幅度。

2.3 濾波網絡設計

PSM濾波器接在調制器功率模塊部分的后面，濾除由于進行PWM補償脈沖（100kHz）所產生的頻率分量，將經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，電容并聯接在濾波器線圈上，是為了對開關頻率分量的幅度有更好的衰減。在濾波器到發射機的輸出端，并接了一個放電球，用來防止在負載阻抗突然降低時產生過電壓損壞電容。

2.4 功率模塊設計

2.4.1 設計要求

功率模塊控制系統對模塊狀態采集和保護邏輯，通過多個采樣點提供的數據，比如模塊最大開關頻率、電流、模塊輸入交流電壓、模塊控制系統工作直流電壓、IGBT溫度、IGBT電流等，對雙功率模塊的運行狀態進行實時監測，模塊上任一采樣點的數據一旦超過所設定門限值，都能快速的進行判斷處理，及時關閉模塊，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 功率模塊設計

圖4為功率模塊的設計原理圖，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。每個單功率模塊使用一個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。

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

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

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斷。這個開關的過限動作由發光二極管 V111所指示。

5）保險保護系統

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

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，與傳統的連線比較，大大減少了引線電感，進一步減小了數字方波的過沖現象，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，該部分的設計非常緊湊，各部件之間的連線都是通過線路板來實現的。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，散熱器組成的發熱部分。另一部分是由大容量電解電容組成的電容組。

同時系統還采取了以下措施來減小如IGBT開關等造成的干擾：

（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 功率鏈路技術特點

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

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實現對模塊的測試。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，系統安全性更高。功率模塊采用高速數字信號處理器實現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，比如模塊最大開關頻率、電流、模塊輸入交流電壓、模塊控制系統工作直流電壓、IGBT溫度、IGBT電流等。

4）對控制系統和雙功率模塊可通過簡單的軟、硬件升級實現數字DRM廣播。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]