DF100A型短波发射机功率开关模块原理的分析

关键词：功率开关模块;功率控制板;DF100A;短波;发射机

中图分类号：TN838      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）06-0040-03

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

0  引  言

DF100A型短波发射机采用了脉冲阶梯调制（PSM）技术来产生音频调制电压和直流屏压。它的调制电压全部来自功率开关模块，高末屏压由48个功率模块提供，高末帘栅压由2个功率模块提供。这些功率模块在工作中都是高电压，开关频率高达70KHZ，而且工作环境温度也比较高，鉴于这些原因，功率开关模块的故障比较多。因此本文简述了功率开关模块的相关原理，对功率开关模块的故障进行了分类分析。

1  功率开关模块IGBT的基本特性

IGBT是一个绝缘栅三极管模块，它是由保护管（AC管）和开关管（DC管）组成的。AC管和DC管受到功率控制板加在栅极和发射极之间的电压的控制，高电平1导通，低电平0关断。CR8、CR10是箝位二极管，CR7、CR9为浪涌电压保护管。R12、R13用于检测AC管及外电情况，通过V/F转换成37kHz信号。R9、R10、R11用于检测DC管状态，判断其是否失步。4个0.1Ω电阻丝并联作为过流取样电阻，当通过电阻丝的电流超过30A时，取样电压超过0.7V，使得功率控制板过流保护电路动作。

功率开关模块的上限工作频率为10KHZ左右，工作速率为400ns，当功率开关接通时，它可以向负载提供最大7kW的功率。功率开关模块的核心元器件为晶体管Q1，它是一个绝缘栅双极型晶体管，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，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，既具有MOSFET器件的高输入阻抗，驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件的低导通压降而容量大的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。MOSFE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。这些特性非常适合应用于功率开关模块。

2  DF100A型短波发射机功率开关模块工作原理简述

2.1  功率开关模块的电源部分

功率开关模块是由两台输入为3φ380VAC的调制变压器供电。输出24组3φ500VAC，送到48个功率模块。经过F3、F4、F5三个保险丝后到达CR6、CR4、CR2双二极整流管模块组成的三相桥式全波整流电路。整流输出电压的储能由C3和C4完成，它们也是电路中的滤波电容。C3和C4的耐压为450V左右，电容容量的大小约为1000uF。R3和C3并联，R4和C4并联，R3和R4分别为C3和C4电容的泄放电阻。R14和R14串联一个发光二极管DS1组成一条支路作为电容器C3和C4的电压情况指示电路，在功率开关模块正常工作期间，这条支路两端有近700V的电压使得DS1发光二极管发光。当发射机关机后，电容C3和C4在通过R3和R4放电，使得这条支路的电压逐渐降低，导致DS1逐渐熄灭。当DS1发光二极管彻底熄灭时，就说明电容上的电已全部放完，此时功率开关控制板上已经无电压，可以通过DS1发光二级管的指示来判断功率开关模块有无电压，它是一个安全指示电路，起到一个安全指示的作用。当700V的直流电压加到IGBT上时，该700V的电壓加至Q1中的AC管的集电极。当控制器发出一个合AC管的指令后，控制栅极负载电阻R8上获得一个高电平，使得AC管工作在导通状态，此时700V的直流电压由集电极传至发射极。在正常工作时，AC管输出为一个固定的700V直流电压加至DC管的集电极上。当Q1中的DC管的控制栅极的负载电阻R7上获得一个来自控制器2的合DC管的高电平指令时，DC管工作在开关导通状态，此时700V直流电压从DC管的集电极传至发射极，从而向负载端提供700V的直流电压。在功率开关模块正常工作时，DC管向负载输出的是一个0到700V的跳变脉冲波。

压敏电阻RV1、RV2、RV3是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间的时候。压敏电阻可以将电压钳位到510V，当输入电压高于510V时，进入负阻导通区，使输入电压被箝位在510V左右。当输入电压低于510V时，RV1、RV2、RV3呈开路的状态。它们的作用是防止来自供电电源上的浪涌电压。当外电过高时，将输入电压箝位于510V左右。R3、R4为C3、C4的泄放电阻。DS1用作电源指示，当高压接通后，当本模块整流滤波电压正常，此灯就会亮。断高压后，C3、C4通过R3、R4放电，DS1逐渐熄灭。通过变压器产生两组14V交流电源送到功率控制板。控制板上再经整流、滤波及稳压后，产生12VA和12VB两组直流电源，用作功率控制板的工作电源。

2.2  功率控制板的作用

在功率开关模块的输出端接了2个47千欧的电阻和DS2发光二极管串联，它们所组成的支路用于指示当前功率开关模块是否正常工作。当功率开关模块正常工作时，DC管处于开关状态，由于DC管的工作频率高，DS2发光二极管总是亮着的。如果功率开关模块出现故障，则AC管被切断，DS2发光二极管的两端无电压使得DS2处于熄灭状态。输出高电平1或低电平0，直接控制本级模块AC管及DC管的通和断。失步保护电路监控DC的管状态，并判断其与控制信号是否保持同步，一旦失步将拉开AC管，使本级模块彻底关断并退出循环导通。为防止失步保护电路误动作，电路设置了1秒左右的延时，即失步1秒以后拉开AC管。当功率控制板长时间未接收到合模块的光信号时关断AC管。当功率模块中电流超过30A时，过流保护动作，暂时断开DC管。若过流时间持续超过1秒，控制板将断开AC管。AC管状态及外电检测将外电情况及本级模块工作状态通过光缆反馈给开关状态板。

在IGBT导通时，可能有700V至14kV不等的高压，因此在维护中要引起注意，做好相关的安全防范工作。功率开关模块具有故障自检功能，当发现故障时，它可以从整个调制器中脱离开来，从而不影响调制器的整体工作。如果DC管发生开路或者短路故障时，控制器上的一个鉴相电路将判别出这个故障而将AC管切断，从而使故障的功率开关模块脱离工作电路，并且使得相关的电路做出相应的处理。当功率开关模块发生短路时，使得启动一个光绝缘后，将DC管断开。如果短路现象一直持续，则启动鉴相器电路将AC管断开，使得故障的功率开关模块脱离调制器电路。

2.3  AC管和DC管的工作原理

在AC管和DC管的控制栅极和发射极之间并接了CR9和CR7，它们的作用是浪涌电压保护管，具有稳压特性。另外并接于AC管和DC管的控制栅和发射极之间的CR10和CR8是箝位二极管，也具有稳压的特性。它们对电路起到了稳压和保护的作用。电路图中的R9、R10、R11是功率控制板鉴相电路的一部分。R12和R13是功率控制板中的V/F转换电路的一部分。功率模块控制板1和功率模块控制板2称为功率开关控制器。每一个功率开关模块上都装有一个功率开关控制器板，它是功率开关模块的一部分。它与整个调制器控制器的联系是通过两条光缆实现的。其中一条光缆是传送反应本级功率开关模块的当前工作状态的信号。另外一条光缆是接受来自调制器控制器要求合上或者断开DC管的指令信号。

电路中的R1为限流电阻，F1为保险，R2为限流电阻，F2为保险。E2和E1通过R1和F1、R2和F2进入T1和T2变压器。T1和T2变压器的两组12V交流电压分别加到两套整流稳压电路，供给AC管控制电路使用12V电源和供给DC管控制电路使用12V电源。12V电源的地是接到AC管的发射极，当本级功率开关模块处于正常工作时B点的电位是700V，则12V这组电源相对来说为712V。而另外一组12V电源的地接至DC管的发射极，因此DC管在工作中时，电压在0或者700V两个电压上进行跳变，使得12V电源随着DC管的导通而跳变为712V，又随着DC管的截止而跳变为12V。

2.4  空转二极管的工作原理

空转二极管CR11的作用是在本级模块断开时，为负载电流提供通路。当IGBT合上时，电流经过电源和IGBT。当IGBT断开时，电流经过电源和IGBT的分布电容Cs，并对Cs开始充电。当Cs两端电压充电到略大于电源E时，电流流过空转二极管。因此这两组电源在功率开关模块正常工作时的情况是不一样的。通过了解这两组电源的原理对于分析功率模块控制板有着重要的意义。

3  维护要点

在维修功率模块过程中，要在滤波电容放电完毕后才能进行维修，需注意相关安全防范操作。因故障不能正常放电的，可以使用正常的泄放电阻对其进行放电。由于泄放电阻R3、R4的焊点较大，应该使用大功率烙铁才能使焊锡完全融化，在操作中注意动作要迅速，不要加热过久损坏电路板。注意采取防静电措施，尽量避免用手接触IGBT驱动极，以免损坏元器件。更换IGBT时，要在IGBT和散热片处涂抹导热硅脂，并均匀涂抹。IBGT和散热片之间的螺丝要尽量拧紧。加电测试IGBT时要注意电压极性，区分各引脚。在日常维护中，对故障的功率模块要及时发现及时处理。要根据实际情况合理安排检修周期，对功率模块各器件表面进行清洁检查、紧固模块各接线柱和调制变压器输出接线柱，检查各元件表面是否有变色、漏液、起鼓、爆裂等异常情况。在日常维护中应该不定期地对模块的隐性故障进行排查，尤其是滤波电容和泄放电阻的故障比较多，IGBT击穿的故障有时候也会发生。

4  结  论

功率模块是DF100A短波发射机调制器的基本单元，48个功率模块留有6块冗余量，即便有几块模块在播音当中损坏，发射机依然可以正常工作。但是功率模块损坏的情况下会影响发射机的电声指标，由于其隐蔽性较大，因此也应该及时处理这种故障，确保发射机的电声指标达到一个較好的状态。在日常维护中，我们可以通过DS1发光二极管的指示灯起到一个安全指示的作用，来判断功率开关模块的电容是否放电完毕。通过DS2发光二极管的指示灯来判断功率开关模块是否正常工作，这样能够及时发现故障的功率开关模块。还可以通过看、听、闻等一些比较直观的方法来发现故障的功率开关模块，排除潜在隐患。这也要求我在工作中，应当熟悉相关的业务知识，掌握好功率开关模块的基本结构和工作原理，才可以在日常维护中及时正确地处理故障，为保障发射机的稳定运行打下坚实的基础。

参考文献：

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作者简介：徐晟（1989.08-），男，汉族，江西抚州人，助理工程师，本科，研究方向：通信工程。