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【摘要】介绍KT-DF100A100KW短波发射机功率模块工作原理，分析当功率模块烧坏出现故障的原因及对故障进行修复的方法。
【关键词】功率开关;绝缘栅双极性晶体管（IGBT）模块;瞬变抑制二极管;箝位二极管;反向二极管
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.09.001
1. 前言
北京北广科技有限公司生产的DF-100A型100KW短波广播发射机是在国内的短波发射台主力机型，广西954台机房安装了多台这种机型的短波发射机。该机严格按照无线局《DF100A（418E/F）发射机自动化系统需求》和《DF100A（418E/F）发射机自动化系统技术规范》文件的要求进行设计，其设计功能齐全、可靠性高、性能稳定。降低了值班员的劳动强度，有效的提高了安全播出质量。但在长期使用和维护中不免出现一些故障。本文总结了短波发射机功率开关模块比较典型的故障和检修经验与大家分享。
2. 故障现象
模块上的三相交流输入指示灯（DS1）不亮，相应的9A8、9A9状态板指示灯灭。
模块上的直流输出指示打（DS2）不亮，相应的9A8、9A9板状态指示灯灭。
功率模块引起的短期噪声，相应的9A8、9A9板状态指示灯灭。如图1所示
3. 工作原理
功率开关是一个脉宽调制单元，它的开关频率能达到10KHz，并为它的负载提供平均2.1KW的功率，功率开关在上升和下降沿少400ns时间提供700V的脉冲。48个功率开关以串联形式形成一个100或150KW的固态调制器。图1表明了功率开关的电气连接。
功率开关由E1、E2和E3接入三相500V（有效值）电源。RVI、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作為这两个电容的分压器，DS1是电容器上电压维持情祝的指示器。变压器T1和12都足降压变压器，为A1提供两组相互隔离的12V（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≥1000V直流和Ic=50A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700V的电压，并且由DC管控制这700V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1000V，正向电流为50A以及小于100ns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。
电阻R12和R13是A1电路板中的电压/频率转换电路中的一部分，R9、R10和R11是前面提到的相位检测电路中的一部分。如图2所示
4. 故障原因及分析
一般为保险或压敏电阻爆，压敏电阻是半导体器件，有齐纳二极管的特性。当压敏电阻的泄流达到一定值时将发热，进一步促使泄流增大，形成恶性循环，导致压敏电阻击穿爆裂，交流延时保险爆，一般为整流桥击穿损坏。
交流指示灯亮而直流指示灯不亮的故障，最多为给控制板的供电回路中保险F1、F2，变压器T1、T2损坏，有时也IGBT击穿，控制板损坏。
光纤通讯故障。功率控制板的工作原理可简述为：加高压后，当模块控制板的电压检测电路（U2/LM393）检测到正常供电电压，保护管（AC管）将导通，由U3（AD654JN）组成的压控振荡器产生约37MHz的方波信号，经DS1转换成光信号通过光纤送到9单元，表示该功率模块正常，循环调制器也将发出指令打开该开关管;在无过流和接收闭合开关管（DC管）指令后，开关管将导通，输出700V的脉冲电压。若光纤及光接收出现故障，光接收（U8）将输出高电平，它一方面经U11B、U11D和U5去关断开关管，另一方面使失步保护补充电路开始延时，约110秒后U10-5输出高电平，经U9C，场效应管Q1等去关断AC保护管，当AC保护管导通时，压控振荡器的输入端第3脚得到-3.7V的电压信号，压控振荡器U3输出正常的37KHz方波信号。但因光纤或光接收故障，将出现开关管应该闭合而实际没有闭合的现象，只有经过110秒延时后，由U9C输出的高电平，关断AC保护管，压控振荡器才停振，停止向9单元发送37KHz的信号，停用该级PSM开关。在无调制状态下，模块的开关频率约为70KHz，发射机输出载波功率为100KW时闭合的模块数约为21块，参加循环的功率模块为48块，所以在这110秒的延时时间内，相当于产生了一个频率约为70KHz/48≈1.46KHz的附加调制，调辐度约为700/（21X700）≈4.76%。由以上分析可知道，每次加高压后都会出现这种现象。
5. 故障处理
停机后拆下不工作的功率模块，除了正常观察电容、电阻是否爆开，常处理检修的就是保险电阻通断;变压器T1和T2初级和次级是否开路;IGBT是否被击穿;三相交流整流桥二极管是否击穿;光纤回路是否能正常工作，加固或更换新光纤接头;功率开关控制板（一般为AD654JN坏）。
6. 总结
在日常的机器维护工作中，保持机房的工作环境室温，查看机房空调能否正常制冷，做好围网PSM区的清洁工作，检查PSM风机的工作状态，使其有足够冷却风量，增加对发热元器件的冷却，避免半导体器件的热击穿;检查高电压，大电流的接口，查看螺丝级接头是否拧紧，有无接触不良、发热发黑现象，检查光纤是否正常及功率开关控制板是否正常，不正常时要及时更换，保证发射机正常工作。
【关键词】功率开关;绝缘栅双极性晶体管（IGBT）模块;瞬变抑制二极管;箝位二极管;反向二极管
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.09.001
1. 前言
北京北广科技有限公司生产的DF-100A型100KW短波广播发射机是在国内的短波发射台主力机型，广西954台机房安装了多台这种机型的短波发射机。该机严格按照无线局《DF100A（418E/F）发射机自动化系统需求》和《DF100A（418E/F）发射机自动化系统技术规范》文件的要求进行设计，其设计功能齐全、可靠性高、性能稳定。降低了值班员的劳动强度，有效的提高了安全播出质量。但在长期使用和维护中不免出现一些故障。本文总结了短波发射机功率开关模块比较典型的故障和检修经验与大家分享。
2. 故障现象
模块上的三相交流输入指示灯（DS1）不亮，相应的9A8、9A9状态板指示灯灭。
模块上的直流输出指示打（DS2）不亮，相应的9A8、9A9板状态指示灯灭。
功率模块引起的短期噪声，相应的9A8、9A9板状态指示灯灭。如图1所示
3. 工作原理
功率开关是一个脉宽调制单元，它的开关频率能达到10KHz，并为它的负载提供平均2.1KW的功率，功率开关在上升和下降沿少400ns时间提供700V的脉冲。48个功率开关以串联形式形成一个100或150KW的固态调制器。图1表明了功率开关的电气连接。
功率开关由E1、E2和E3接入三相500V（有效值）电源。RVI、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作為这两个电容的分压器，DS1是电容器上电压维持情祝的指示器。变压器T1和12都足降压变压器，为A1提供两组相互隔离的12V（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≥1000V直流和Ic=50A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700V的电压，并且由DC管控制这700V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1000V，正向电流为50A以及小于100ns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。
电阻R12和R13是A1电路板中的电压/频率转换电路中的一部分，R9、R10和R11是前面提到的相位检测电路中的一部分。如图2所示
4. 故障原因及分析
一般为保险或压敏电阻爆，压敏电阻是半导体器件，有齐纳二极管的特性。当压敏电阻的泄流达到一定值时将发热，进一步促使泄流增大，形成恶性循环，导致压敏电阻击穿爆裂，交流延时保险爆，一般为整流桥击穿损坏。
交流指示灯亮而直流指示灯不亮的故障，最多为给控制板的供电回路中保险F1、F2，变压器T1、T2损坏，有时也IGBT击穿，控制板损坏。
光纤通讯故障。功率控制板的工作原理可简述为：加高压后，当模块控制板的电压检测电路（U2/LM393）检测到正常供电电压，保护管（AC管）将导通，由U3（AD654JN）组成的压控振荡器产生约37MHz的方波信号，经DS1转换成光信号通过光纤送到9单元，表示该功率模块正常，循环调制器也将发出指令打开该开关管;在无过流和接收闭合开关管（DC管）指令后，开关管将导通，输出700V的脉冲电压。若光纤及光接收出现故障，光接收（U8）将输出高电平，它一方面经U11B、U11D和U5去关断开关管，另一方面使失步保护补充电路开始延时，约110秒后U10-5输出高电平，经U9C，场效应管Q1等去关断AC保护管，当AC保护管导通时，压控振荡器的输入端第3脚得到-3.7V的电压信号，压控振荡器U3输出正常的37KHz方波信号。但因光纤或光接收故障，将出现开关管应该闭合而实际没有闭合的现象，只有经过110秒延时后，由U9C输出的高电平，关断AC保护管，压控振荡器才停振，停止向9单元发送37KHz的信号，停用该级PSM开关。在无调制状态下，模块的开关频率约为70KHz，发射机输出载波功率为100KW时闭合的模块数约为21块，参加循环的功率模块为48块，所以在这110秒的延时时间内，相当于产生了一个频率约为70KHz/48≈1.46KHz的附加调制，调辐度约为700/（21X700）≈4.76%。由以上分析可知道，每次加高压后都会出现这种现象。
5. 故障处理
停机后拆下不工作的功率模块，除了正常观察电容、电阻是否爆开，常处理检修的就是保险电阻通断;变压器T1和T2初级和次级是否开路;IGBT是否被击穿;三相交流整流桥二极管是否击穿;光纤回路是否能正常工作，加固或更换新光纤接头;功率开关控制板（一般为AD654JN坏）。
6. 总结
在日常的机器维护工作中，保持机房的工作环境室温，查看机房空调能否正常制冷，做好围网PSM区的清洁工作，检查PSM风机的工作状态，使其有足够冷却风量，增加对发热元器件的冷却，避免半导体器件的热击穿;检查高电压，大电流的接口，查看螺丝级接头是否拧紧，有无接触不良、发热发黑现象，检查光纤是否正常及功率开关控制板是否正常，不正常时要及时更换，保证发射机正常工作。