IGBT 在发射机功率开关电路中应用研究

刘 浩

(国家新闻出版广电总局七二四台，陕西 宝鸡 722400)

DF100A PSM 短波发射机把主整和调幅器合二为一，并把主整电压化整为零，全机共有50 个功率开关模块，即50个PSM 开关。每个PSM 开关由低压整流器、相应的滤波器、高速电子开关以及用于空转的箝位二极管组成。48 个功率开关模块为射频功放提供屏压，每个模块的输出电压为700 V;其余两个功率开关模块为射频功放管提供帘栅压，每块的输出电压约600 V。功率开关控制单元的主要功能有三:1)把光发射器送来的“合”、“断”光指令转换成电信号，并去合上或拉开相应的PSM 开关。2)分别对PSM 开关级进行自我检测和实行故障保护。3)通过光缆和光接收器，把每个PSM 开关的工作状态和外电电压变化情况的信息，反馈给开关状态单元。每套整流器一般为三相全波整流电路，其输出电压分别受电子开关所控制。组成电子开关的主要器件为绝缘门双极晶体管(Insulated Gates Bipolar Transistor—简称IGBT)。而这些电子开关又受控于直流控制信号和音频调制信号，从而使射频被调级获得载波点的直流屏压和高电平的音频调制电压。为了使部分IGBT 关断时能保持整体串联电路一直处于连通状态，每套整流器的直流输出电压及其相应的IGBT 输出端还并联反向二极管。一套低压整流器的直流输出电压和IGBT 组成的电子开关再加上相应的反向二极管，称为一级PSM 开关。可见IGBT 是DF100A PSM 短波发射机功率开关中的关键器件，对IGBT电路进行必要的分析研究，对维护此类型短波发射机具有重要意义。

1 IGBT 基本原理及在PSM 发射机开关电路中使用优点

1.1 IGBT 基本工作原理

IGBT(insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600 V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT 的等效电路如图1 所示。它是由双极型三极管和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的功率半导体器件。若在IGBT 的栅极G 和发射极E 之间加上驱动电压，则MOSFET导通，这样晶体管的集电极C 与发射极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT 的栅极G 和发射极E 之间电压为0 V，则MOSFET 截止，切断晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

图1 IGBT 的等效电路

在DF100A 型PSM 短波发射机功率模块中，它实际上由两只晶体管复合而成，电路图如图2 所示，靠近电源的一只叫保护管，靠近负载的一只叫开关管，这两只晶体管的栅极具有场效应管的电压控制特性，发射集和集电极间具有晶体三极管和可关断可控硅的电流控制特性，两管的控制信号分别输入到各自的栅极和发射极之间。在正常情况下保护管将一直处于导通状态，当开关管短路或开路时，开关管的工作状态监测及保护电路发出一个信号，将保护管切断。

图2 700 V 开关模块—PSM 开关

1.2 IGBT 在PSM 发射机功率开关使用中的优点

1)开关管的额定工作频率大幅提高，而且绝缘门双极晶体管对电压变化率du/dt 并无规定限额，从而可以获得两方面的效益:a)为开关管外设的保护电路可以取消;b)采用高速开关管又无外设保护电路的电子开关，其通、断时间明显缩小，相应的前后沿损耗也随其大幅减小。

2)采用高速开关管组成的PSM 开关无论对哪个音频上升阶梯所构成的延时都很小，所以最大上升沿时间和最小上升沿时间的差别也很小。不需要再增加前沿时差补偿器，从而使数字化音频电路大为简化，既提高了音频质量的稳定性，又降低了故障率。

2 DF100A PSM 短波发射机IGBT 功率开关电路的具体分析

2.1 功率开关电路的原理

功率开关是一个脉宽调制单元，它的开关频率能达到10 kHz，并为它的负载提供平均2.1 kW 的功率。功率开关在上升和下降沿少于400 ns 时间内提供700 V 的脉冲。48个功率开关以串联的形式形成一个100 或150 kW 的固态调制器。图3 为功率开关电路图。

图3 功率开关电路图

功率开关由E1、E2 和E3 接入三相500V(有效值)电源，RV1、RV2 和RV3 是压敏电阻，用于在外电变化时对功率开关进行保护。通过使用三组双二极管模块CR2、CR4 和CR6实现三相全波整流。整流输出的储能是由电容C3 和C4 完成的。电阻R3 和R4 作为这两个电容的分压器，DS1 是电容器上电压维持情况的指示器。变压器T1 和T2 都是降压变压器，为A1 提供两组相互隔离的12 V(有效值)电压。

Q1 是一对绝缘栅双极性晶体管(IGBT)模块。两个管子都具有Vce≥1 000 V 直流和Ic=50 A 连续工作的额定值。集电极管脚为3 的那个晶体管称为AC 管，第二个集电极管脚为1 的晶体管称为DC 管。两个晶体管的门极是通过R8和R7 加偏置的，并且分别由瞬变抑制二极管(CR9 和CR7)和箝位二极管(CR10 和CR8)进行保护。每一个晶体管的门极都是由电路板A1，即功率开关控制板进行控制的。在功率开关正常的情况下，AC 管向DC 管提供700 V 的电压，并且由DC 管控制这700 V 电压的合断，以构成本块功率模块的输出脉冲电压。

CR11 是一只反向二极管，它跨接在功率开关的输出端。这只二极管反向耐压为1 000 V，正向电流为50 A 以及小于100 ns 恢复时间的额定值。反向二极管使得功率开关串接，并使调制器的负载电流绕过未接通的功率开关。

功率开关具有对内部故障进行检测，并且将本级模块从固态调制器电路中移开的能力。如果DC 管出现短路或开路故障，在A1 电路板上的一个相位鉴别器(检测器)将会识别出这类故障，并且将AC 管关断。由于将AC 管关断了，这块有毛病的功率开关就从调制器的电路脱开了。这个开关的去除也将被调制器的控制器识别出，由控制器把这个有故障的开关脱开。如果功率开关在输出端短路了，那么在E4～E11 之间跨接的那些电阻性的导线两端的电压将升高。这个增加的电压将使A1 板上(通过R5 和R6)的一个光电隔离管导通，由此将关断DC 晶体管。如果这个短路现象持续着，相位检测电路将被触发，使得这个功率开关从调制器电路中脱开。

每个功率开关模块上都附有一个功率开关控制器板，用其控制保护管和开关管，由于功率开关模块及其控制器都悬浮于高电位，所以它同地电位处的控制信号依靠两条高绝缘的光缆相联系。其中，一条光缆用于接收来自循环调制器的合或断开关管的指令信号;另一条光缆用于传递本块功率开关是否工作正常的信息。

2.2 功率开关保护电路

压敏电阻RV1、RV2 和RV3 是三只具有齐纳二极管的负阻特性的电阻，当输入外电电压高达510 V 时(峰值为721 V)，正好进入他们的负阻导通区。使输入电压被箝位在510 V，防止来自供电电源上的浪涌电压。输入电压低于510 V 时，三只电阻呈开路状态。

从DC 管发射极经由过载保护拾电镍阻丝到负载。该电阻丝由四根并联，每根0.1 Ω，总计0.025 Ω;与30 A 过载电流相对应的保护性控制电压为0.75 V，在正常情况下则相当于短路。当本级PSM 开关合上时，负载电流由G1 管导通，而本级PSM 开关拉开时，则负载电流被反向二极管CR11 所旁路。所谓反向二极管，由于它在G1 管导电时承受反电压而得名。CR11 导电的条件是:G1 管关断而且与G1 管并联的分布电容被充电到电源电压(700 V)以上，即CR11 处于少量正向电压下才能导通负载电流。在功率开关输出端跨接着2 ×47 kΩ 和DS2 的串联组合，其中的DS2 是发光二极管，用于指示本块开关板是否正常。尽管G1 管导通时DS2得电、而当G1 管关断时DS2 也断电，但因G1 管经常处于快速通断状态下，所以开机后DS2 保持发亮。唯独在这个功率开关模块发生故障时，即AC 管或DC 管被长时间切断，DS2才处于熄灭状态，以便值机员发现故障点。

一般发射机的主整滤波电容器储能高达数千至上万焦耳，在发生负载通地或对地打火故障时，加入不能快速切断负载或迅速泄放掉滤波器的储能，往往会造成大故障，甚至是灾害性的故障。这里所说的速断、速放，常用的油闸、继电器和真空开关等因动作延时偏长，是不能胜任的，所以要用阻尼电阻、限流电感，或采取引燃管快速泄放储能。所有这些措施，都要付出相当高的代价。PSM 发射机则不同，不但主整滤波器储能相对较小，而且尤为重要的是:充当电子开关的48 个IGBT 足以胜任“速断”的要求，它可以在3～5 uS内切断电源和负载的联系，主整储能已被化整为零而又切断负载分别泄放，剩下与负载相连的储能只是解调器的储能，一般为几个或几十个焦耳，决不会使故障扩大化。

3 IGBT 管的日常使用维护

3.1 IGBT 管的检测

IGBT 管的好坏可用指针万用表的Rxlk 档来检测，或用数字万用表的“二极管”档来测量PN 结正向压降进行判断。检测前先将IGBT 管三只引脚短路放电，避免影响检测的准确度;然后用指针万用表的两枝表笔正反测G、e 两极及G、c两极的电阻，对于正常的IGBT 管(正常G、e 两极与G、c 两极间的正反向电阻均为无穷大;内含阻尼二极管的IGBT 管正常时，e、C 极间均有4 kΩ 正向电阻)，上述所测值均为无穷大;最后用指针万用表的红笔接c 极，黑笔接e 极，若所测值在3.5 kΩ 左右，则所测管为含阻尼二极管的IGBT 管，若所测值在50 kΩ 左右，则所测IGBT 管内不含阻尼二极管。对于数字万用表，正常情况下，IGBT 管的e、C 极间正向压降约为0.5 V。测得IGBT 管三个引脚间电阻均很小，则说明该管已击穿损坏;若测得IGBT 管三个引脚间电阻均为无穷大，说明该管已开路损坏。在DF100A 型PSM 短波发射机功率开关电路中IGBT 管多为击穿损坏。

3.2 DF100A 型PSM 短波发射机IGBT 功率开关故障一例

故障现象:高末帘栅连续过荷，降功率无效，但将激励全部退掉，发现末级仍有700 V 帘栅压。

故障原因:一级高末帘栅功率模块IGBT 被击穿，造成一加高压便有700 V 帘栅压加在电子管上，且不受调制器控制器控制，使帘栅压先上，从而造成过荷。

处理方法:迅速更换该级功率模块。

3.3 IGBT 管使用注意事项

由于IGBT 模块为MOSFET 结构，IGBT 的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20 V～30 V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT 失效的常见原因之一。在栅极-发射极间开路时，若在集电极和发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过，这时如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热至损坏。在安装或更换IGBT 模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度，为减少接触热阻，最好在散热器与IGBT 模块间涂抹导热硅脂。在使用模块时，手持分装件时，勿触摸驱动端子部分。当必须触摸模块端子时，要带防静电手套。在用导电材料连接IGBT 的驱动端子时，在配线未接好之前，先不要接上模块。尽量在底板良好接地的情况下操作，如焊接时，电烙铁要可靠接地。

4 结束语

DF100A PSM 短波发射机技术上的最大优点之一就是把主整和调幅器合二为一并把主整电压化整为零，IGBT 在DF100A 型PSM 短波发射机功率开关电路中的应用，体现了DF100A 型PSM 短波发射机在先进器件运用方面的一大进步，对此电路进行研究分析，摸清电路特点，可以提高维护水平，确保设备稳定运行。

［1］魏瑞发，陈锡安.脉阶调制设备［Z］.无线电台管理局教育处编印，1999.11.