500KW短波发射机PSM功率链路设计于实现

邹坤英

【摘 要】本文阐述500KW短波发射机功率链路部分的总体设计要求，分析变压器、 模块机箱、功率模块、模块控制、滤波网络等各个部分的设计思路和功能需求并且最终完成整个链路的实现，最后对该功率链路技术特点以及性能做出结论。

【关键词】PSM控制系统；功率链路；功率模块

1 PSM功率链路设计总体要求

PSM功率链路主要由变压器、功率模块和低通滤波器三部分组成。调制变压器为各个功率模块提供相互独立的电源。PSM发射机的高末屏极所需的载波电压和调制电压是由多套相同的PSM功率模块串联提供的。PSM滤波器接在调制器功率部分的后面，滤除PWM补偿脉冲（100kHz）分量，将经过滤波后纯净的音频信号送到射频末级的电子管屏级上。

2 PSM功率链路各部分设计与实现

2.1 变压器的设计

2.1.1 变压器的安装连接

PSM系统中共有两台调制变压器，一台是Y/Y接法，另一台是△/Y接法。每台变压器每相有13个次级绕组，每3个次级绕组（U，V，W）共同给一个模块提供三相电源，电压为877V。两台变压器的初级接到同一10KV高压电源上，初级的星形绕组电压分别与三角形绕组电压同相，即星形绕组次级电压比三角形绕组次级电压的相位超前30度。同时，由于模块上采用三相桥式整流对两台变压器次级电压进行整流，所以两组整流器合成的输出电压纹波频率提高一倍，形成一个十二相脉动整流方式。30度的相位差还带来以下好处：

1）十二相的整流器可大大减少输出直流电压的纹波；

2）十二相的整流器负载可大大减少电源的失真。

在发射机安装过程中，△/Y接法的变压器一般给前13个双功率模块供电，Y/Y接法的变压器一般给后13个双功率模块供电，由于功率模块在工作过程中是循环的，所以这两个变压器交换位置并不会影响发射机的运行。如紧急情况使用两台一样接法的变压器也不会影响发射机的播出，但会对发射机的运行指标（特别是发射机的杂音）造成影响。

2.1.2 变压器的安全保护设计

每台变压器都安装有独立的过流和短路保护设备，在变压器的初级线圈的每相上都安装有一个电流互感器（安装在高压柜内），互感器的次级接到一个IKT保护继电器，通过这些措施可提供以下保护功能：

1）提供延时时间和过流跳闸电流可调的过流保护（过流保护）；

2）发生短路故障时的立即跳闸保护（速断保护）。

2.2 模块机箱设计

500KW机的调制器包含26块相同的双功率模块，所有模块安装在一个机箱内，在模块的上面安装有低通滤波器，机箱的侧面是机保开关，它们和变压器一起安装在一个单独的区域内。该区域四周都是封闭的，只有通过该高压区的侧门才能进入该区域，该门必须在机保拉下后用钥匙才能打开，确保了人身的安全。各个功率模块被平均分成5排，6列。每个模块都安放在由绝缘材料制成的水平滑轨上。模块的所有连接在高压室内都能方便的安装与拆卸。滤波器位于模块的上方。在滤波器到发射机的输出端，并接了一个放电球，用来防止在负载阻抗突然降低时产生过电压损坏电容。

发射机的主要通地开关和钥匙联锁系统也安装在该PSM机箱的侧面。通过这个开关可以在打开门之前将电子管栅压和板压通地，与此同时，功率模块的所有电容也通过这个开关接地。通地钩作为附加安全设备装在离功率模块很近的地方。在进行模块检修时用来使设备接地，以确保安全。

本机的26块功率模块被设计为双模块结构，即相当于有52个功率模块。每个双模块都是一个独立的单元，由2个TSM变压器中的一个相对应于该模块的次级线圈来给模块供电。2个TSM变压器的次级电压相互移相30o，以便取得12脉动整流的效果。52块模块中的每一块都代表了一个独立的电压源，可以单独地开和关。并附加上一个小的输出滤波器以减少PWM成分的幅度。

2.3 滤波网络设计

PSM滤波器接在调制器功率模块部分的后面，滤除由于进行PWM补偿脉冲（100kHz）所产生的频率分量，将经过滤波后纯净的音频信号送到射频末级的电子管屏级上。PSM滤波网络由筒型陶瓷电容和螺旋线圈组成，滤波器输入端的线圈L450与功率模块上的线圈L24一样。在考虑和计算整个PSM滤波网络的通带范围时必须要考虑到每个模块上的滤波线圈。需要注意的是：在DSB模式时功率模块使用的滤波线圈L24电感量为0.13mH，在发射机升级为DRM制式时，使用的滤波线圈L24电感量为0.08mH。滤波网络的各元件使用绝缘材料固定在功率模块上的框架上，并且滤波器的接地点是通过一根电缆从滤波电容的公共地端X401连接到了整流机箱的屏流取样电阻R201（60A/2V）上，进行电流取样监测。

PSM滤波器是一个C/L滤波器，输入端口的小电感（功率模块阻流圈L24）是抑制寄生效应的，电容并联接在滤波器线圈上，是为了对开关频率分量的幅度有更好的衰减。在滤波器到发射机的输出端，并接了一个放电球，用来防止在负载阻抗突然降低时产生过电压损坏电容。

2.4 功率模块设计

2.4.1 设计要求

功率模块控制系统对模块状态采集和保护逻辑，通过多个采样点提供的数据，比如模块最大开关频率、电流、模块输入交流电压、模块控制系统工作直流电压、IGBT温度、IGBT电流等，对双功率模块的运行状态进行实时监测，模块上任一采样点的数据一旦超过所设定门限值，都能快速的进行判断处理，及时关闭模块，增强了模块的控制和保护功能，大大提高了模块的运行可靠性和安全性

2.4.2 功率模块设计

图4为功率模块的设计原理图，每块双功率模块由对应的PSM变压器次级线圈中的一组供电，经模块上的3相全波整流后得到直流电压（也可称为6脉动整流，对每个模块来说相当于3相半波整流）。

模块上的电源接通后，模块上的电容开始慢速充电，此时所有功率模块上接触器（K1）都处于释放状态，约30秒后K1吸合，电容开始快速充电。模块上的电源断开后，电容（C）通过电阻（R）安全地放电。每个单功率模块使用一个IGBT（绝缘门双极晶体管）作为开关元件，配合简单的外部电路就可以实现快速地合、断。IGBT控制单元（ZSE21）控制开关元器件的合、断并对其进行实时监测。监测内容包括台阶电压、功率模块辅助电压、开关元件和功率模块输出电流等，如某个值超出允许值，控制系统会通过断开交流接触器（K1）来关断功率模块。

IGBT控制单元（ZSE21）通过光纤连接到PSM控制系统，这些光纤除传输控制信号（合、断命令）外，也用于回传信息，使TSM控制系统任何时候都能得到功率模块的瞬时状态信息。

2.5 功率模块的组成

2.5.1 公共部分

该部分包含了模块开关所需的通用器件，如保险（F2、F3），附属变压器，电流互感器，模块的阻流圈，接地开关的放电电阻，电容的充电电路等。

1）附属变压器

附属变压器用来为模块和接触器K1提供48V的控制电压。

2）阻流圈

为防止在模块开关时由于变压器的寄生电容与模块的寄生电感振荡产生大的振荡电流，在每个模块输出端串连了一个阻流圈。与阻流圈并联的电阻的作用是，对振荡电流进行衰减，从而保证整个系统的稳定性。

3）电流互感器

电流互感器用来对模块的输出电流进行检测，同时这部分电路还是模块过流保护和输出短路保护的组成部分。

4）过热保护

由于模块将所有发热元件集中安装在一个散热器上进行散热，同时在散热器上安装了一个温度继电器K201，当温度继电器检测到温度超过80摄氏度时，为了保护固态元器件该继电器将吸合，通过继电器接点给控制器一个过热信号，控制器接到该信号后该模块将被关断。这个开关的过限动作由发光二极管 V111所指示。

5）保险保护系统

输入电源的保护是通过S相和T相上的两个80A速跳保险来实现的，这两个保险通过一个机械连锁的微动开关来对保险监测，当保险动作后控制系统马上关断模块，并标记该模块为故障模块，并将不参与以后的模块循环。

6）模块连线

由于功率模块部分连线采用印刷线路板来实现，与传统的连线比较，大大减少了引线电感，进一步减小了数字方波的过冲现象，同时也减小了人为的连线错误。

2.5.2 功率部分

作为模块的核心，该部分由以下器件组成：IGBT，整流二极管，电容组，IGBT控制板。为了减小寄生电感，该部分的设计非常紧凑，各部件之间的连线都是通过线路板来实现的。该部分可分为两个子部分：一部分是由两个IGBT，整流二极管和热保护开关，散热器组成的发热部分。另一部分是由大容量电解电容组成的电容组。

同时系统还采取了以下措施来减小如IGBT开关等造成的干扰：

（1）功率模块安装在模块功率板的上面；

（2）IGBT控制板上面采用屏蔽罩；

（3）IGBT控制板采用了板式接地，以保证接地良好。

3 功率链路技术特点

1）双功率模块控制板全部采用单片机和DSP数字信号处理器来实现各种控制、运算功能。提高了系统运行的稳定性和可靠性，同时也便于系统的升级，可以在不改变系统硬件的情况下，通过软件的升级系统来实现系统的升级。

2）维护更方便。在模块检修时，可通过外接计算机通用串口和通用超级终端程序实现对模块的测试。为故障定位提供了方便，极大地减少了故障处理时间。

3）保护功能更加完善，保护速度更快，系统安全性更高。功率模块采用高速数字信号处理器实现对模块的各种保护逻辑，相对于分立元件来说速度更快，可靠性更高。保护项目更多、更安全，比如模块最大开关频率、电流、模块输入交流电压、模块控制系统工作直流电压、IGBT温度、IGBT电流等。

4）对控制系统和双功率模块可通过简单的软、硬件升级实现数字DRM广播。

【参考文献】

[1]裴昌幸，尹伟宜.脉阶调制器原理及应用[J].西安电子科技大学学报，1997.

[2]宋浩，程韧.电压矢量PWM变频器微机控制研究[J].电工技术学报，1997.

[3]THALES. TSW2500型发射机技术手册[S].2005.

[4]国家广电总局无线局.现代广视无线传输发射技术丛书第一分册[S].2007.

[责任编辑：杨玉洁]