PSM发射机功率开关模块典型故障的分析与探讨

王志聪

摘 要：SW100F型大功率短波广播发射机是PSM制式的一款发射机。PSM发射机中使用了数十块功率开关模块，一旦某模块出现故障都将影响发射机播出质量和效果。该文就发射机运行中无论是功率开关模块合、断所引起的杂音，还是光缆故障、模块输出电压以及IGBT的AC或者DC管击穿引起的杂音等，都将影响发射机杂音指标；在分析故障原因、提出故障排查解决方法的同时，对每个故障处理过程作者进行了论述，最后就功率开关模块影响杂音指标提出了思考和建议。

关键词：PSM发射机 功率模块 杂音指标

中图分类号：TN948.53 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0042-02

SW100F型大功率短波广播发射机射频系统，采用的是PSM脉冲阶梯调制技术。在发射机运行中，无论是用作调制音频信号幅度循环的功率开关模块合、断所引起的杂音，还是发射机信号传输光缆故障导致的杂音，或是功率开关模块输出电压导致的杂音以及IGBT的AC和DC管击穿引起的杂音，都将影响发射机杂音指标。PSM发射机的功率开关模块的工作原理很多书籍教案都已介绍，在此不再叙述。在此，作者就功率开关模块影响杂音指标的几类典型故障的分析、处理过程进行论述，同时结合工作实际提出思考意见和建议。

1 功率开关模块影响杂音指标的典型故障分析

PSM短波发射机射频系统调制音频信号幅度，是由循环通断的48块功率开关模块来实现。发射机运行中，由于变压器漏感、功率开关模块循环导通拉、合产生的分频引起的杂音，以及光缆故障、模块输出电压、IGBT的开关管或保护管击穿等产生的杂音，都将影响发射机杂音指标，影响发射机播出质量和效果。以下就此类典型故障进行分析论述。

1.1 功率开关模块合、断引起的杂音

故障现象：发射机指标测试，杂音为-32db，监听发现有明显低频啸叫声，音频分析仪测试分析有频率为1.46kHz的杂音。发射机杂音指标不入级。

故障原因分析：根据现象加高压试验，观察开关状态指示灯48路指示灯均亮，48组功率模块DC指示灯均亮，功率模块处于工作状态，没有发现异常。做加高压，升功率、降功率试验，加高压，功率降到0，此时功率模块应该都不工作，即功率模块DC灯不应有亮的，否则说明功率模块有问题。同理升功率后查有功率模块不亮的，说明功率模块有不工作的。

故障处理：加高压后把功率降到0，如发现某功率模块DC灯总亮，而且特别亮，对应开关状态指示灯也亮；则是该模块有问题，如拆下测试为正常，仍然复用上机。因该模块DC灯总亮，用示波器测试对应的光发射电路，如果输出不是脉冲信号，再查前面的环形调制器电路。如果测量此功率模块对应的环形调制器电路的JK触发器输出Q为脉冲，波形正常。则应检查它的“与门”输人4脚，应为高电平“H”。如果5脚和6脚都为“H”，则应检查此芯片是否松动，用手按下后测量其输入5脚、输出6脚均为脉冲。如果芯片松动输人5脚处于悬空状态，总为高电平“H”，其输出因此也总为“H”而不是脉冲。开关管（DC管）由于开关拉合信号不正常始终为高电平导致开关管一直开通，环型调制器却依据模块开关状态信号正常循环工作。此外，由于失步保护电路的失灵等原因，无法封锁保护管（AC管），也就无法及时封锁或纠正控制信号异常。开关管将模块三相整流电压直接输出，其输出瞬时电压即为平均电压，从而使DC灯总亮而且特别亮。模块工作于这种状态，在合成主电压时就会呈现周期性的偏高，运行中必然产生较大的杂音。假设此功率模块输出直流电压为600V，主整电压为10kV，则杂音为：20lg（600/10000）=-24.4db。

综述以上分析，开关状态指示灯亮的原因，功率开关模块保护管（AC管）在合工作状态，功率模块就有反映其工作状态正常的37kHz脉冲，所以开关状态板上该指示灯始终处于亮的状态，结果误导了功率模块始终处于正常状态。

1.2 信号传输光缆故障导致的杂音

故障现象：发射机在测试指标时杂音电平为-35db，杂音频率为1.46kHz。发射机加高压，开关状态板48路指示灯均亮，没有发现异常现象。但是1.46kHz的杂音频率，则说明某功率模块工作状态不正常；仔细观察48块功率模块的DC灯，发现A号模块DC灯不亮。拔掉该模块控制小板，测量杂音指标为-56db，由此可见系该功率模块影响了杂音指标。

故障原因分析：首先，用相邻的C号（带光发射电路）的功率开关控制板来控制A号功率模块为正常；其次，用A号（带光发射电路）功率开关控制器控制C号功率模块，测试C号DC灯也不亮。则说明A号功率模块本身没问题，故障可能在此功率开关控制小板或者拉、合控制信号线路不正常。

故障处理：更换A号功率开关控制器，故障现象依旧。用示波器测试它对应的光发射电路波形，波形正常。拔插A号功率模块控制小板光缆B，发现光接收头处光缆明显变形，拔下A号功率开关模块光缆B两端，一端用手电光照，观察另一端的发光情况，发现光线与正常的相比明显偏暗。重新作光缆头后测试杂音指标为-58db。

通过上述分析，故障原因是“合、拉”指令的光信号通过光缆传送至功率开关控制器上的光接收头接触不良，接收到的开关信号弱，导致了模块的开关性能发生变化，功率模块输出电压比正常低。而功率模块工作频率为1.46kHz，在合成直流主整电压中就含1.46kHz的杂波，所以载波上就会出现1.46kHz的杂音波形。从光纤通信可知，任何光纤弯曲半径过小，就会影响光功率的传输。此外，当光缆B传输出现问题，功率开关控制板提供给状态板指示AC管运行正常，开关管（DC管）由于光接收管或光发射管未开通或光缆连接不良等造成开关管未开通，但PSM环型调制器却根据状态电压正常信号，使功率模块仍然循环工作。这样就相当于有一块输出电压为零的功率模块在循环，造成开关管控制信号缺位，运行中必然产生较大的杂音。

1.3 功率开关模块输出电压导致的杂音

故障现象：某发射机测试杂音电平为- 48db，用音频分析仪可见含杂音频率为 1.46kHz杂音。从开关状态指示灯看，48路指示灯均亮，但1.46kHz的频率出现说明功率模块中存在工作状态不正常的模块。

故障原因分析：加高压，查看48路功率模块DC指示灯虽然都是亮的，但其中有一块模块的DC指示灯很暗，疑是工作状态不正常，拔掉该功率开关控制器使其不工作，测杂音为-58db，说明此功率模块工作状态有问题。原因有两类：（1）开关工作指令不正常；（2）模块本身有问题。

故障处理：采用互换法，将该（带光发射电路）功率开关控制器来控制相邻正常工作的功率模块，杂音消失立刻恢复正常；说明该功率模块的开关工作指令正常。

在查找故障原因时发现，该模块交流供电的A相20A保险管开路，给功率开关控制器供电是B、C相，故功率开关控制器检测不出该功率模块有故障，只是模块输出电压因缺相而降低，但又没有低于开关状态板电压检测所认定的模块输出电压异常值。因此，环型调制器依据状态电压正常信号使该功率模块循环工作，既环路中有一块输出电压很低模块在循环工作。造成了48级功率模块输出电压主整合成时就含此模块的开关频率1.46kHz。载波就呈现频率为1.46kHz周期性波形。由于此模块整流器输出电压偏低，导致DC指示灯发暗。

1.4 IGBT的AC和DC管击穿导致的杂音

故障现象：测试某发射机杂音指标为-30db，载波波形杂音频率为1.46kHz；用音频分析仪测得频率为1kHz，发射机开关状态板48组指示灯均亮。

故障原因分析：加高压查看48组功率模块DC指示灯均亮，功率模块都处于工作，观察不到异常，但1.46kHz说明功率模块仍有工作状态不正常的。正常时发射机加高压后按下封锁键，48组功率模块均应不工作，DC灯不亮，否则说明功率模块存在问题；如果末级屏压有表值则也说明仍有功率模块在工作。从表头电压的数值大小可以计算出几组模块工作（每一组模块输出为600V左右）。仔细观察发现有1块模块DC灯特别亮，落高压测量该模块IGBT的AC和DC管，都已击穿短路。

故障处理：更换IGBT后重测杂音指标为-59db，显然故障是IGBT的AC和DC管击穿引起的杂音。

功率开关模块IGBT的AC管击穿后，通过该功率开关控制板提供给状态板指示为该功率开关模块电压正常；而DC管击穿导致回路处于通状态；环型调制器依据状态板判断，仍以为该模块电压正常参于循环。但在合成主电压时，就呈现周期性的偏高，这样必然在运行中产生较大的杂音。

2 经验与体会

通过以上对PSM发射机功率开关板故障所导致发射机杂音指标下降的原因分析和处理，使我们感到：PSM功率开关模块出现故障或工作状态异常都将引起发射机杂音指标的降低。因此，在发射机日常运维中，不能简单的只凭状态指示灯亮和灭判断功率模块工作正常与否，它只不过是功率开关模块正常工作的一个必要条件，长亮不闪烁、亮度显暗淡，发光程度，也能反映出模块的工作状态。当然，功率开关模块工作状态发生变化，不一定就是它本身问题，还要考虑与调制系统有关光缆，光、电信号；如发射机没有110s失步保护电路光缆B接触不良或相关的光电电路异常，保护管也不会被拉开保护。

通常载波状态下模块开通的个数为20 级，就是说功率开关模块在100%调幅时只需要40级模块在工作，还有8个功率开关模块作为备用模块。查找杂音源，最简单快捷有效的方法是排除法，拔掉一个功率开关控制器使其控制的功率模块不工作，所影响的杂音是1～2db。若分析杂音频率为3kHz左右，则可以以2个功率模块工作不正常（1.46kHz×2=2.92kHz）计算。

不同型号的IGBT饱和压降是不一样，在同等条件下测试，其输出饱和压降差最大可达20V。因此，在维修更换功率开关模块IGBT时，最好使用和原机同型号的IGBT。才能确保模块不至于因为IGBT的饱和压降不同而导致输出电压不同。

3 结语

综上，对影响发射机杂音指标的功率开关模块典型故障实例分析，以及对故障原因分析、故障排查、故障处理过程的总结，提出了与同行共同思考的建议和看法，希望能对此类发射机运维有所帮助。由于水平有限，存在不足之处，请指正。

参考文献

[1] 国家广电总局科技司.广播发射机新技术实用手册[M].北京：中国广播电视出版集团，2010.

[2] 国家新闻出版广电总局无线电台管理局.SW100-A/B型100kw短波发射机[M].北京：中国书籍出版社，20011.

[3] 黄晓滨.TBH-522型150KW短波发射机维护手册[M].北京：中国书籍出版社，2011.

[4] 陈青松.]PSM100KW短波发射机功率模块工作原理及故障分析[J].百度文库，2013.