PSM功率開關模塊控制原理分析

盧定燕

摘要：DF100A PSM發射機的調制級采用了50個完全相同的功率開關模塊。其中48個功率開關模塊為射頻末級提供屏壓，其余兩個功率開關模塊為射頻末級提供簾柵壓。每個功率開關模塊上都附有一個功率開關控制器板，用來控制保護管和開關管。PSM功率開關模塊是PSM短波發射機的重要組成部分之一，本文對DF100A發射機功率模塊的控制原理進行了詳細分析，并結合原理對失步保護的過程進行了說明。

關鍵詞：功率開關模塊 開關管 保護管 控制原理 同步原理 失步保護

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0011-02

1 功率開關模塊組成部分

功率開關模塊的主要由整流濾波電路、IGBT絕緣門雙級晶體管、空轉二極管和控制板五個部分組成。

（1）整流濾波電路由壓敏電阻和濾波電容組成，壓敏電阻的作用是暫態抑制，即當外電壓異常增大的情況下，壓敏電阻迅速導通，通過壓敏電阻可保證穩定的電壓輸出，其額定電壓為820V。

（2）濾波靠調制變壓器的漏感和兩只串聯的1500?F的濾波電容。

（3）IGBT絕緣門雙級晶體管的導通時間0.45μS，關斷時間1μS，由AC管和DC管兩部分組成。AC管也叫交流管或保護管，DC管也叫直流管或開關管。CR9、CR7正向保護，CR10、CR8反向保護。

（4）空轉二極管（CR11）是一個硅整流二極管。當Q1導通時，輸出端E16、E17之間的電壓為700V左右，CR11承受反相偏壓而截止，電流正常的流向是E17到本極模塊整流二極管等到Q1到E16；當Q1關斷時，CR11將形成正偏而導通，它與IGBT交替導通。

2 開關模塊控制原理

每個功率開關模塊上都有一塊控制板，控制板接受來自調制器控制器的循環調制器板經光發射板的光纜控制信號，同時控制板經光接收器板為調制器控制器的狀態板提供一個本級功率開關是否正常工作的狀態信號，由于功率開關模塊及控制板懸浮于高電位工作，調制器控制器應進行隔離，所以信號的轉移通過光纜進行。

在外電正常的情況下，控制板控制保護管先合上，保護管合上以后，經壓控振蕩器組成的檢測電路輸出本級開關的狀態信號，表示本級開關可以工作了，如果循環調制器傳來控制信號要求開關管合上，開關管正常的情況下，可以合上，經同步電路的判斷使保護管一直保持合閘狀態，如果開關管有問題，經同步電路的失步保護判斷可使保護管拉開；鎳阻絲的過流保護，瞬間可以使開關管拉開，如果控制光纜或光電管故障，經失步保護補充電路，可使保護管拉開。

2.1 開關管（DC管）控制原理

開關管通斷受兩個方面的控制，一是由九單元送來的“開”、“關”光信號，二是由模塊上的過載檢測鎳絲檢測來的過流保護電路。

當控制板上光接受管U8受光時，其輸出端1腳為低電平“0”，U11與非門的6腳為“0”，5腳固定為高電平，則4腳為“1”，12腳為“1”。

控制板23、24為過載檢測輸入端，并接在鎳阻絲的兩端，總阻值為0.025Ω與30A過載電流對應，保護電壓為0.75，不過流時相當于短路，光耦合器U14中發光二極管不發光，三極管截止，U14的5腳為高電平“1”，U10不被觸發，9腳輸出低電平“0”，U11的1、2腳也為“0”，輸出端3腳為“1”，U11的13腳為“1”。

因U11的12、13腳均為“1”，所以11腳為“0”，U12的5、7腳均為“1”，控制DC開關管導通。

根據上述控制開關管導通的過程，可以分析開關管關斷的控制過程，須注意由9單元送來的關斷DC管的信號促使DC管關斷是幾乎無延時的，而過流保護控制DC管關斷是有延時的，因為過流時光電耦合器5腳輸出低電平使定時器U10觸發輸出翻轉為高電平。

延時時間約為：T=1.1R24C26=517ms。

2.2 保護管控制原理

當外電正常時，電壓檢測電路同相端的電平6V高于反相端電平5.1V，U2的輸出端7腳為高電平，正常時光耦合器U7中三極管不導電，處于截止狀態，所以由與非門組成RS觸發器的置“1”端S得到高電平，由于加電時R端高電平的建立有延時，即起始時為0，所以RS觸發器的輸出端為0并保持，經U5反相后變為“1”，控制保護管（AC）導通。

開關管（DC）未合時，CR3反向偏置處于開路狀態，異或門U9的12、13腳因通過電阻接+12VB均為高電平，（異或門：輸入相同輸出為0），故輸出端11腳為低電平，這時因沒有要求開通DC管的信號，U8輸出“1”，U11的4腳輸出為“0”即U9的6腳為“0”，所以其4腳為“0”。

當有一光信號要求本級DC管合上時，U8輸出為“0”，U11-4輸出為“1”（合上DC管），U9的6腳也為“1”。

因DC管已合上，700VDC輸出正常，P1-A26通過3×39K電阻接700VDC負端，經700VDC正端與CR3形成回路，這時CR3導通，U9的12腳為低電平，13腳為+12VB的高電平不變，所以輸出端11腳“1”，U9的5腳也為“1”，即U9的5、6腳均為“1”， 4腳為“0”。

由此可見，在DC管的“開”、“關”過程中，U9的5、6腳均保持同時為高或低電平，即同步，在DC管沒有發生故障時U9的4腳為總是為“0”。

U9的1腳在光纜沒有故障時保持低電平，U9的2腳在同步時是低電平，從而使3腳為“0”，Q1截止，U7的二極管不發光，三極管不導通，U2輸出高電平，唯有這樣，R-S閂鎖電路的輸出為0，經非門U5轉變為高電平，才能促使保護管導通并維持它導通。當開關管有故障時，打破了同步條件，將失步保護。

失步保護是在開關管處于開路或擊穿短路的故障狀態時的保護。

當DC管開路時，P1-26無負電壓而使CR3截止，U9的12、13腳均保持為高電平，其輸出端11腳保持為低電平不變，而這時的U9的6腳為合閘信號，是高電平，這將引起U9的4腳為高電平，U9的3腳也將輸出高電平而使Q1導通。從而拉開保護管，這表示一旦開關管開路，保護管就被拉開，本級PSM開關停用。

同理分析可知，當DC管擊穿短路而長時間導通時，AC管也將被拉開，停用本級PSM開關。

從失步到拉開AC保護管須經過U9的4腳輸出端的延時電路延時，這是個快充慢放的延時電路，延時時間為：

T=RC=1S，如果不考慮其放電，U9的4腳輸出高電平脈沖累計須達1S以上，U9的2腳才能達到高電平，從而控制拉開AC管。

3 狀態檢測電路

AC保護管導通后，將形成700VDC端經R11、R12、R13到700VDC負端的回路，正常情況下，U3的3、4腳端電壓為U34=-3.7V，這個電壓與R12和C11共同決定壓控振蕩器。

U3的輸出信號頻率：fout=Vin/10R12C11

從而使DS1按37KHZ的矩形波電壓的規律發光，這表示對號的PSM開關保護管輸出700V電壓正常。

可以看出，這里37KHZ頻率是隨外電的變化而變化的，外電升高，開關模塊輸出的700V電壓升高，Vin升高，則37KHZ頻率升高，反之亦然。

4 失步保護補充電路（光信號檢測電路）

正常情況下，開機時C31剛開始充電應為低電平，則U11-8為“0”，當控制合閘的光信號傳來U11-9為高電平“1”，10腳為“1”，Q2導通，U9異或門輸出“0”，低電平觸發U10的6腳，U10 556的5腳輸出為“1”，經U6非門為“0”，使U9-1為“0”，又因開機時同步電路控制U9-2為“0”，所以其輸出為“0”，Q1關斷，U7中的三極管也不導通，對保護管沒有影響，同時Q2飽和導通使U10 556的2腳為低電平使輸出狀態保持為高電平不變。

開機后，C31充滿電應為高電平，則U11-8為“1”，U11-9為“1” U11-10為“0”，一路使U9的10腳為“1”，高電平給U10的6腳，另一路使Q2截止，C33被充電，T=1.1RC=110S后上升到8V以上，觸發U10的2腳（高電平觸發端），使其輸出5腳翻轉為“0”，傳給U9的1腳為高電平“1”，正常時無論DC管合上與否均為低電平“0”所以U9的輸出就為高電平“1”，R-S觸發器的置“1”端S為“0”，使U4的10腳為“1”，經非門，拉開AC保護管（不過這時已延時了110S，所以加高壓后110S如果不加激勵（末級無柵流）調制器不工作，這時功率模塊將依次斷開，這時只有重新落高壓再加才能加上）。

開機后，若有一光信號要求合閘（這時在加高壓后的110S時間內），則U11的9腳為“0”，10腳為”1“，U9的10腳為“0”使U10 556的5腳輸出為高電平，Q1關斷，AC處于合閘狀態不變。

在正常的工作狀態下，光接受器U8輸出正常的高電平開關信號，U11輸出正好與之相反——即低、高電平開關信號，高電平時Q2導通，C33放電，低電平時Q2截止，C33充電，所以C33處于交替的慢速充電和快速放電的循環過程中，只要正常工作，C33上的電壓就充不到8V以上的狀態，即是不可能使U10反轉而拉開AC管，只有當光傳系統損壞或接受頭故障，使U8輸出保持在高電平，U11的10腳長時間處于低電平，Q2截止，100?F電容被充電，當歷時110秒后，電容兩端電壓上升到8V以上，U10輸出才翻轉為低電平，經非門U6后為高電平，導致失步保護電路動作，才使該級的A C管拉開，處于停用狀態，只有關機修理后才能工作。

因保護管輸出正常，開關管也沒有擊穿、開路現象，控制器認為開關模塊工作正常，可以參加循環工作，但由于光纜問題，實際開關并沒有工作，這時將產生70/48=1.46KHZ的雜音，如果沒有失步保護補充電路，雜音將一直產生，有此電路在110秒以后雜音將消失。

5 結語

通過以上分析，可以看出PSM功率開關模塊原理并不復雜，但在實際使用過程處理故障時，往往需要理論上的分析和元件實際情況及機器運行狀態等多種因素相結合，而且要把理論知識靈活應用，才能準確、快速的對故障進行處理，并維護好設備。