PSM功率开关模块控制原理分析

卢定燕

摘要：DF100A PSM发射机的调制级采用了50个完全相同的功率开关模块。其中48个功率开关模块为射频末级提供屏压，其余两个功率开关模块为射频末级提供帘栅压。每个功率开关模块上都附有一个功率开关控制器板，用来控制保护管和开关管。PSM功率开关模块是PSM短波发射机的重要组成部分之一，本文对DF100A发射机功率模块的控制原理进行了详细分析，并结合原理对失步保护的过程进行了说明。

关键词：功率开关模块 开关管 保护管 控制原理 同步原理 失步保护

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0011-02

1 功率开关模块组成部分

功率开关模块的主要由整流滤波电路、IGBT绝缘门双级晶体管、空转二极管和控制板五个部分组成。

（1）整流滤波电路由压敏电阻和滤波电容组成，压敏电阻的作用是暂态抑制，即当外电压异常增大的情况下，压敏电阻迅速导通，通过压敏电阻可保证稳定的电压输出，其额定电压为820V。

（2）滤波靠调制变压器的漏感和两只串联的1500?F的滤波电容。

（3）IGBT绝缘门双级晶体管的导通时间0.45μS，关断时间1μS，由AC管和DC管两部分组成。AC管也叫交流管或保护管，DC管也叫直流管或开关管。CR9、CR7正向保护，CR10、CR8反向保护。

（4）空转二极管（CR11）是一个硅整流二极管。当Q1导通时，输出端E16、E17之间的电压为700V左右，CR11承受反相偏压而截止，电流正常的流向是E17到本极模块整流二极管等到Q1到E16；当Q1关断时，CR11将形成正偏而导通，它与IGBT交替导通。

2 开关模块控制原理

每个功率开关模块上都有一块控制板，控制板接受来自调制器控制器的循环调制器板经光发射板的光缆控制信号，同时控制板经光接收器板为调制器控制器的状态板提供一个本级功率开关是否正常工作的状态信号，由于功率开关模块及控制板悬浮于高电位工作，调制器控制器应进行隔离，所以信号的转移通过光缆进行。

在外电正常的情况下，控制板控制保护管先合上，保护管合上以后，经压控振荡器组成的检测电路输出本级开关的状态信号，表示本级开关可以工作了，如果循环调制器传来控制信号要求开关管合上，开关管正常的情况下，可以合上，经同步电路的判断使保护管一直保持合闸状态，如果开关管有问题，经同步电路的失步保护判断可使保护管拉开；镍阻丝的过流保护，瞬间可以使开关管拉开，如果控制光缆或光电管故障，经失步保护补充电路，可使保护管拉开。

2.1 开关管（DC管）控制原理

开关管通断受两个方面的控制，一是由九单元送来的“开”、“关”光信号，二是由模块上的过载检测镍丝检测来的过流保护电路。

当控制板上光接受管U8受光时，其输出端1脚为低电平“0”，U11与非门的6脚为“0”，5脚固定为高电平，则4脚为“1”，12脚为“1”。

控制板23、24为过载检测输入端，并接在镍阻丝的两端，总阻值为0.025Ω与30A过载电流对应，保护电压为0.75，不过流时相当于短路，光耦合器U14中发光二极管不发光，三极管截止，U14的5脚为高电平“1”，U10不被触发，9脚输出低电平“0”，U11的1、2脚也为“0”，输出端3脚为“1”，U11的13脚为“1”。

因U11的12、13脚均为“1”，所以11脚为“0”，U12的5、7脚均为“1”，控制DC开关管导通。

根据上述控制开关管导通的过程，可以分析开关管关断的控制过程，须注意由9单元送来的关断DC管的信号促使DC管关断是几乎无延时的，而过流保护控制DC管关断是有延时的，因为过流时光电耦合器5脚输出低电平使定时器U10触发输出翻转为高电平。

延时时间约为：T=1.1R24C26=517ms。

2.2 保护管控制原理

当外电正常时，电压检测电路同相端的电平6V高于反相端电平5.1V，U2的输出端7脚为高电平，正常时光耦合器U7中三极管不导电，处于截止状态，所以由与非门组成RS触发器的置“1”端S得到高电平，由于加电时R端高电平的建立有延时，即起始时为0，所以RS触发器的输出端为0并保持，经U5反相后变为“1”，控制保护管（AC）导通。

开关管（DC）未合时，CR3反向偏置处于开路状态，异或门U9的12、13脚因通过电阻接+12VB均为高电平，（异或门：输入相同输出为0），故输出端11脚为低电平，这时因没有要求开通DC管的信号，U8输出“1”，U11的4脚输出为“0”即U9的6脚为“0”，所以其4脚为“0”。

当有一光信号要求本级DC管合上时，U8输出为“0”，U11-4输出为“1”（合上DC管），U9的6脚也为“1”。

因DC管已合上，700VDC输出正常，P1-A26通过3×39K电阻接700VDC负端，经700VDC正端与CR3形成回路，这时CR3导通，U9的12脚为低电平，13脚为+12VB的高电平不变，所以输出端11脚“1”，U9的5脚也为“1”，即U9的5、6脚均为“1”， 4脚为“0”。

由此可见，在DC管的“开”、“关”过程中，U9的5、6脚均保持同时为高或低电平，即同步，在DC管没有发生故障时U9的4脚为总是为“0”。

U9的1脚在光缆没有故障时保持低电平，U9的2脚在同步时是低电平，从而使3脚为“0”，Q1截止，U7的二极管不发光，三极管不导通，U2输出高电平，唯有这样，R-S闩锁电路的输出为0，经非门U5转变为高电平，才能促使保护管导通并维持它导通。当开关管有故障时，打破了同步条件，将失步保护。

失步保护是在开关管处于开路或击穿短路的故障状态时的保护。

当DC管开路时，P1-26无负电压而使CR3截止，U9的12、13脚均保持为高电平，其输出端11脚保持为低电平不变，而这时的U9的6脚为合闸信号，是高电平，这将引起U9的4脚为高电平，U9的3脚也将输出高电平而使Q1导通。从而拉开保护管，这表示一旦开关管开路，保护管就被拉开，本级PSM开关停用。

同理分析可知，当DC管击穿短路而长时间导通时，AC管也将被拉开，停用本级PSM开关。

从失步到拉开AC保护管须经过U9的4脚输出端的延时电路延时，这是个快充慢放的延时电路，延时时间为：

T=RC=1S，如果不考虑其放电，U9的4脚输出高电平脉冲累计须达1S以上，U9的2脚才能达到高电平，从而控制拉开AC管。

3 状态检测电路

AC保护管导通后，将形成700VDC端经R11、R12、R13到700VDC负端的回路，正常情况下，U3的3、4脚端电压为U34=-3.7V，这个电压与R12和C11共同决定压控振荡器。

U3的输出信号频率：fout=Vin/10R12C11

从而使DS1按37KHZ的矩形波电压的规律发光，这表示对号的PSM开关保护管输出700V电压正常。

可以看出，这里37KHZ频率是随外电的变化而变化的，外电升高，开关模块输出的700V电压升高，Vin升高，则37KHZ频率升高，反之亦然。

4 失步保护补充电路（光信号检测电路）

正常情况下，开机时C31刚开始充电应为低电平，则U11-8为“0”，当控制合闸的光信号传来U11-9为高电平“1”，10脚为“1”，Q2导通，U9异或门输出“0”，低电平触发U10的6脚，U10 556的5脚输出为“1”，经U6非门为“0”，使U9-1为“0”，又因开机时同步电路控制U9-2为“0”，所以其输出为“0”，Q1关断，U7中的三极管也不导通，对保护管没有影响，同时Q2饱和导通使U10 556的2脚为低电平使输出状态保持为高电平不变。

开机后，C31充满电应为高电平，则U11-8为“1”，U11-9为“1” U11-10为“0”，一路使U9的10脚为“1”，高电平给U10的6脚，另一路使Q2截止，C33被充电，T=1.1RC=110S后上升到8V以上，触发U10的2脚（高电平触发端），使其输出5脚翻转为“0”，传给U9的1脚为高电平“1”，正常时无论DC管合上与否均为低电平“0”所以U9的输出就为高电平“1”，R-S触发器的置“1”端S为“0”，使U4的10脚为“1”，经非门，拉开AC保护管（不过这时已延时了110S，所以加高压后110S如果不加激励（末级无栅流）调制器不工作，这时功率模块将依次断开，这时只有重新落高压再加才能加上）。

开机后，若有一光信号要求合闸（这时在加高压后的110S时间内），则U11的9脚为“0”，10脚为”1“，U9的10脚为“0”使U10 556的5脚输出为高电平，Q1关断，AC处于合闸状态不变。

在正常的工作状态下，光接受器U8输出正常的高电平开关信号，U11输出正好与之相反——即低、高电平开关信号，高电平时Q2导通，C33放电，低电平时Q2截止，C33充电，所以C33处于交替的慢速充电和快速放电的循环过程中，只要正常工作，C33上的电压就充不到8V以上的状态，即是不可能使U10反转而拉开AC管，只有当光传系统损坏或接受头故障，使U8输出保持在高电平，U11的10脚长时间处于低电平，Q2截止，100?F电容被充电，当历时110秒后，电容两端电压上升到8V以上，U10输出才翻转为低电平，经非门U6后为高电平，导致失步保护电路动作，才使该级的A C管拉开，处于停用状态，只有关机修理后才能工作。

因保护管输出正常，开关管也没有击穿、开路现象，控制器认为开关模块工作正常，可以参加循环工作，但由于光缆问题，实际开关并没有工作，这时将产生70/48=1.46KHZ的杂音，如果没有失步保护补充电路，杂音将一直产生，有此电路在110秒以后杂音将消失。

5 结语

通过以上分析，可以看出PSM功率开关模块原理并不复杂，但在实际使用过程处理故障时，往往需要理论上的分析和元件实际情况及机器运行状态等多种因素相结合，而且要把理论知识灵活应用，才能准确、快速的对故障进行处理，并维护好设备。