DF100A型短波發射機功率開關模塊原理的分析

關鍵詞：功率開關模塊;功率控制板;DF100A;短波;發射機

中圖分類號：TN838 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0040-03

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

0 ?引 ?言

DF100A型短波發射機采用了脈沖階梯調制（PSM）技術來產生音頻調制電壓和直流屏壓。它的調制電壓全部來自功率開關模塊，高末屏壓由48個功率模塊提供，高末簾柵壓由2個功率模塊提供。這些功率模塊在工作中都是高電壓，開關頻率高達70KHZ，而且工作環境溫度也比較高，鑒于這些原因，功率開關模塊的故障比較多。因此本文簡述了功率開關模塊的相關原理，對功率開關模塊的故障進行了分類分析。

1 ?功率開關模塊IGBT的基本特性

IGBT是一個絕緣柵三極管模塊，它是由保護管（AC管）和開關管（DC管）組成的。AC管和DC管受到功率控制板加在柵極和發射極之間的電壓的控制，高電平1導通，低電平0關斷。CR8、CR10是箝位二極管，CR7、CR9為浪涌電壓保護管。R12、R13用于檢測AC管及外電情況，通過V/F轉換成37kHz信號。R9、R10、R11用于檢測DC管狀態，判斷其是否失步。4個0.1Ω電阻絲并聯作為過流取樣電阻，當通過電阻絲的電流超過30A時，取樣電壓超過0.7V，使得功率控制板過流保護電路動作。

功率開關模塊的上限工作頻率為10KHZ左右，工作速率為400ns，當功率開關接通時，它可以向負載提供最大7kW的功率。功率開關模塊的核心元器件為晶體管Q1，它是一個絕緣柵雙極型晶體管，由BJT雙極型三極管和mos絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，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，驅動功率小和開關速度快的優點，又具有雙極型器件的低導通壓降而容量大的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大。MOSFE驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。這些特性非常適合應用于功率開關模塊。

2 ?DF100A型短波發射機功率開關模塊工作原理簡述

2.1 ?功率開關模塊的電源部分

功率開關模塊是由兩臺輸入為3φ380VAC的調制變壓器供電。輸出24組3φ500VAC，送到48個功率模塊。經過F3、F4、F5三個保險絲后到達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，R4和C4并聯，R3和R4分別為C3和C4電容的泄放電阻。R14和R14串聯一個發光二極管DS1組成一條支路作為電容器C3和C4的電壓情況指示電路，在功率開關模塊正常工作期間，這條支路兩端有近700V的電壓使得DS1發光二極管發光。當發射機關機后，電容C3和C4在通過R3和R4放電，使得這條支路的電壓逐漸降低，導致DS1逐漸熄滅。當DS1發光二極管徹底熄滅時，就說明電容上的電已全部放完，此時功率開關控制板上已經無電壓，可以通過DS1發光二級管的指示來判斷功率開關模塊有無電壓，它是一個安全指示電路，起到一個安全指示的作用。當700V的直流電壓加到IGBT上時，該700V的電壓加至Q1中的AC管的集電極。當控制器發出一個合AC管的指令后，控制柵極負載電阻R8上獲得一個高電平，使得AC管工作在導通狀態，此時700V的直流電壓由集電極傳至發射極。在正常工作時，AC管輸出為一個固定的700V直流電壓加至DC管的集電極上。當Q1中的DC管的控制柵極的負載電阻R7上獲得一個來自控制器2的合DC管的高電平指令時，DC管工作在開關導通狀態，此時700V直流電壓從DC管的集電極傳至發射極，從而向負載端提供700V的直流電壓。在功率開關模塊正常工作時，DC管向負載輸出的是一個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壓時進行電壓鉗位，利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間的時候。壓敏電阻可以將電壓鉗位到510V，當輸入電壓高于510V時，進入負阻導通區，使輸入電壓被箝位在510V左右。當輸入電壓低于510V時，RV1、RV2、RV3呈開路的狀態。它們的作用是防止來自供電電源上的浪涌電壓。當外電過高時，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，當高壓接通后，當本模塊整流濾波電壓正常，此燈就會亮。斷高壓后，C3、C4通過R3、R4放電，DS1逐漸熄滅。通過變壓器產生兩組14V交流電源送到功率控制板。控制板上再經整流、濾波及穩壓后，產生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

在功率開關模塊的輸出端接了2個47千歐的電阻和DS2發光二極管串聯，它們所組成的支路用于指示當前功率開關模塊是否正常工作。當功率開關模塊正常工作時，DC管處于開關狀態，由于DC管的工作頻率高，DS2發光二極管總是亮著的。如果功率開關模塊出現故障，則AC管被切斷，DS2發光二極管的兩端無電壓使得DS2處于熄滅狀態。輸出高電平1或低電平0，直接控制本級模塊AC管及DC管的通和斷。失步保護電路監控DC的管狀態，并判斷其與控制信號是否保持同步，一旦失步將拉開AC管，使本級模塊徹底關斷并退出循環導通。為防止失步保護電路誤動作，電路設置了1秒左右的延時，即失步1秒以后拉開AC管。當功率控制板長時間未接收到合模塊的光信號時關斷AC管。當功率模塊中電流超過30A時，過流保護動作，暫時斷開DC管。若過流時間持續超過1秒，控制板將斷開AC管。AC管狀態及外電檢測將外電情況及本級模塊工作狀態通過光纜反饋給開關狀態板。

在IGBT導通時，可能有700V至14kV不等的高壓，因此在維護中要引起注意，做好相關的安全防范工作。功率開關模塊具有故障自檢功能，當發現故障時，它可以從整個調制器中脫離開來，從而不影響調制器的整體工作。如果DC管發生開路或者短路故障時，控制器上的一個鑒相電路將判別出這個故障而將AC管切斷，從而使故障的功率開關模塊脫離工作電路，并且使得相關的電路做出相應的處理。當功率開關模塊發生短路時，使得啟動一個光絕緣后，將DC管斷開。如果短路現象一直持續，則啟動鑒相器電路將AC管斷開，使得故障的功率開關模塊脫離調制器電路。

2.3 ?AC管和DC管的工作原理

在AC管和DC管的控制柵極和發射極之間并接了CR9和CR7，它們的作用是浪涌電壓保護管，具有穩壓特性。另外并接于AC管和DC管的控制柵和發射極之間的CR10和CR8是箝位二極管，也具有穩壓的特性。它們對電路起到了穩壓和保護的作用。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稱為功率開關控制器。每一個功率開關模塊上都裝有一個功率開關控制器板，它是功率開關模塊的一部分。它與整個調制器控制器的聯系是通過兩條光纜實現的。其中一條光纜是傳送反應本級功率開關模塊的當前工作狀態的信號。另外一條光纜是接受來自調制器控制器要求合上或者斷開DC管的指令信號。

電路中的R1為限流電阻，F1為保險，R2為限流電阻，F2為保險。E2和E1通過R1和F1、R2和F2進入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管的發射極，當本級功率開關模塊處于正常工作時B點的電位是700V，則12V這組電源相對來說為712V。而另外一組12V電源的地接至DC管的發射極，因此DC管在工作中時，電壓在0或者700V兩個電壓上進行跳變，使得12V電源隨著DC管的導通而跳變為712V，又隨著DC管的截止而跳變為12V。

2.4  空轉二極管的工作原理

空轉二極管CR11的作用是在本級模塊斷開時，為負載電流提供通路。當IGBT合上時，電流經過電源和IGBT。當IGBT斷開時，電流經過電源和IGBT的分布電容Cs，并對Cs開始充電。當Cs兩端電壓充電到略大于電源E時，電流流過空轉二極管。因此這兩組電源在功率開關模塊正常工作時的情況是不一樣的。通過了解這兩組電源的原理對于分析功率模塊控制板有著重要的意義。

3 ?維護要點

在維修功率模塊過程中，要在濾波電容放電完畢后才能進行維修，需注意相關安全防范操作。因故障不能正常放電的，可以使用正常的泄放電阻對其進行放電。由于泄放電阻R3、R4的焊點較大，應該使用大功率烙鐵才能使焊錫完全融化，在操作中注意動作要迅速，不要加熱過久損壞電路板。注意采取防靜電措施，盡量避免用手接觸IGBT驅動極，以免損壞元器件。更換IGBT時，要在IGBT和散熱片處涂抹導熱硅脂，并均勻涂抹。IBGT和散熱片之間的螺絲要盡量擰緊。加電測試IGBT時要注意電壓極性，區分各引腳。在日常維護中，對故障的功率模塊要及時發現及時處理。要根據實際情況合理安排檢修周期，對功率模塊各器件表面進行清潔檢查、緊固模塊各接線柱和調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。在日常維護中應該不定期地對模塊的隱性故障進行排查，尤其是濾波電容和泄放電阻的故障比較多，IGBT擊穿的故障有時候也會發生。

4 ?結 ?論

功率模塊是DF100A短波發射機調制器的基本單元，48個功率模塊留有6塊冗余量，即便有幾塊模塊在播音當中損壞，發射機依然可以正常工作。但是功率模塊損壞的情況下會影響發射機的電聲指標，由于其隱蔽性較大，因此也應該及時處理這種故障，確保發射機的電聲指標達到一個較好的狀態。在日常維護中，我們可以通過DS1發光二極管的指示燈起到一個安全指示的作用，來判斷功率開關模塊的電容是否放電完畢。通過DS2發光二極管的指示燈來判斷功率開關模塊是否正常工作，這樣能夠及時發現故障的功率開關模塊。還可以通過看、聽、聞等一些比較直觀的方法來發現故障的功率開關模塊，排除潛在隱患。這也要求我在工作中，應當熟悉相關的業務知識，掌握好功率開關模塊的基本結構和工作原理，才可以在日常維護中及時正確地處理故障，為保障發射機的穩定運行打下堅實的基礎。

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作者簡介：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。