周濤

【摘要】國產(chǎn)500kW短波發(fā)射機(jī)是國內(nèi)自主研發(fā)的最新機(jī)型，其使用的功率模塊也是國產(chǎn)化同類器件中功率等級(jí)最高的。在該機(jī)型的調(diào)試過程中，反復(fù)出現(xiàn)了功率模塊的故障甚至是損毀現(xiàn)象。作者從原理、布線、環(huán)境溫度等多個(gè)角度進(jìn)行分析，并結(jié)合具體的測(cè)試，判斷出故障原因。通過有針對(duì)性的改進(jìn)措施，排除了這一故障。

【關(guān)鍵詞】短波;功率模塊;故障分析

1.前言

國產(chǎn)500kW短波發(fā)射機(jī)是國內(nèi)自主研發(fā)的最新機(jī)型。該機(jī)型的設(shè)計(jì)研發(fā)充分考慮了目前主流進(jìn)口機(jī)型高頻部分的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了國內(nèi)已成熟運(yùn)用的PSM調(diào)制技術(shù)。特別值得一提的是，該機(jī)型除了部分真空器件仍需進(jìn)口外，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的國產(chǎn)化。國產(chǎn)500kW短波發(fā)射機(jī)的功率模塊是PSM調(diào)制部分的核心器件，它由48個(gè)完全相同的700V功率開關(guān)串聯(lián)構(gòu)成。每個(gè)開關(guān)在PSM調(diào)制器的統(tǒng)一調(diào)度下，通過絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）完成開關(guān)的通、斷，提供出需要的直流電壓和疊加的高電平音頻電壓送至高末電子管屏級(jí)。在該機(jī)型的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，功率模塊出現(xiàn)了多次、反復(fù)、大面積的故障，嚴(yán)重時(shí)直接造成了器件的損毀。面對(duì)棘手的問題，我試著由淺入深，由表及里的分析問題，以工作原理為基礎(chǔ)，從保護(hù)電路、電路設(shè)計(jì)、元器件參數(shù)、工作環(huán)境等多方面入手，結(jié)合著具體的相關(guān)測(cè)試，找到了問題的答案。同時(shí)，在故障判斷的基礎(chǔ)上，我研究了針對(duì)性地改進(jìn)設(shè)計(jì)，應(yīng)用這些故障處理后，消除了原有的故障。

2.功率模塊工作原理

任何故障的分析與處理都是以基本工作原理為依據(jù)的，下面就簡(jiǎn)單介紹下此類型功率模塊的工作原理。本文涉及的功率模塊（見圖1功率模塊單元電路圖）是一個(gè)脈寬調(diào)制單元，其開關(guān)頻率能達(dá)到10kHz，并為它的負(fù)載提供平均10.4kW的功率。功率開關(guān)由E1、E2和E3接入三相500V電源，通過使用三組雙二極管模塊CR1、CR2和CR3實(shí)現(xiàn)三相全波整流。整流輸出的儲(chǔ)能是由電容C3、C4、C5和C6完成的，而電阻R3和R4作為這四個(gè)電容的分壓器。

圖1 功率模塊單元電路圖

圖2 功率模塊工作原理簡(jiǎn)圖

圖1中，Q1是整個(gè)功率模塊的核心部分，它由一對(duì)絕緣柵雙極性晶體管（即IGBT）組成，分別為AC管和DC管。兩個(gè)晶體管的門極是通過R12和R11加偏置的，并且分別由瞬變抑制二極管（CR7和CR5）和箝位二極管（CR6和CR4）進(jìn)行保護(hù)。每一個(gè)晶體管的門極都是由功率開關(guān)控制單元進(jìn)行控制的。在功率開關(guān)正常的情況下，AC管向DC管提供700V的電壓，然后由DC管控制這700V電壓的合斷，以構(gòu)成本塊功率模塊的輸出脈沖電壓。

CR8是一只快速反向二極管，它是功率模塊的交通樞紐，起著承上啟下的聯(lián)通作用。它跨接在功率開關(guān)的輸出端，反向耐壓為1200V，正向電流為額定電流為120A。反向二極管使得功率開關(guān)串接，并使調(diào)制器的負(fù)載電流繞過未接通的功率開關(guān)。模塊正常工作時(shí)的工作原理如圖2所示，當(dāng)IGBT在PSM調(diào)制器的控制下導(dǎo)通時(shí)，電流沿圖中虛線路徑，疊加本級(jí)模塊電壓后流向下一個(gè)模塊，此時(shí)快速二極管CR8反向截止;當(dāng)IGBT截止時(shí)，電流通過快速二級(jí)管流向下一級(jí)模塊。

3.多角度分析故障

了解了模塊單元的工作原理，下一步就是分析具體問題了。對(duì)于調(diào)試中出現(xiàn)的大面積功率模塊的故障，我首先從觀察故障現(xiàn)象入手，爭(zhēng)取從發(fā)生故障的工作條件，發(fā)生故障的具體位置，元器件損毀的嚴(yán)重程度幾個(gè)角度得到一些有用的信息。

圖3 功率模塊故障現(xiàn)象

圖3中，左上為正常狀態(tài)的模塊單元元件，其余三張圖片均為故障導(dǎo)致的不同程度的元件受損。其中，右上為接線柱及印制板損壞，左下為IGBT燒毀，右下為快速二極管擊穿損壞。首先，故障發(fā)生的工作條件是在發(fā)射機(jī)升功率過程中，有時(shí)也在滿功率加調(diào)制運(yùn)行中出現(xiàn);其次，故障發(fā)生的集體位置基本集中在某一個(gè)模塊安裝塔內(nèi)（每個(gè)模塊塔安裝有12個(gè)模塊，并用強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻），其它塔的模塊則故障較少;最后，元件的損壞部位集中在IGBT、快速二極管、供電接線柱、保險(xiǎn)和印制板等幾個(gè)地方。通過故障現(xiàn)象的觀察，我想從以下幾個(gè)角度分析故障的原因。

3.1 保護(hù)線路

保護(hù)線路，顧名思義就是在發(fā)生過流等不正常工作狀態(tài)時(shí)立即生效和反應(yīng)，對(duì)電路、元件進(jìn)行保護(hù)的專門電路。因此，保護(hù)電路的工作非常重要，失去了保護(hù)，也就意味著整個(gè)模塊處在危險(xiǎn)狀態(tài)。針對(duì)功率模塊設(shè)計(jì)的保護(hù)線路包括單個(gè)模塊的過流保護(hù)、高末陰流過流保護(hù)和PSM接地過流保護(hù)。通過進(jìn)一步排查，我發(fā)現(xiàn)單個(gè)模塊的過流保護(hù)以及PSM接地過流保護(hù)出現(xiàn)了問題。具體分析如下：

3.1.1 單模塊過流保護(hù)

現(xiàn)有的過流保護(hù)線路采用四根康銅絲作為接地保護(hù)的取樣電阻，并驅(qū)動(dòng)模塊控制板上的光電耦合器來進(jìn)行保護(hù)，該康銅絲長度為25mm。

經(jīng)查，康銅絲的電導(dǎo)率：ρ=0.000955Ω/mm

光電耦合器的驅(qū)動(dòng)電壓U=1.3V。

功率模塊的接地保護(hù)電阻：

R=（L*ρ）/4=0.00596875Ω;

功率模塊的接地保護(hù)電流：I=U/R=218A。

而按照本機(jī)型發(fā)射機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)，功率模塊的最大工作電流為150A，發(fā)射機(jī)載波滿功率工作電流為40A，100%調(diào)制時(shí)的電流約為80A。顯然，保護(hù)值設(shè)在218A遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了模塊工作電流，使得該保護(hù)線路基本處于失效狀態(tài)，達(dá)不到設(shè)計(jì)的考慮。

3.1.2 PSM過流保護(hù)

PSM過流保護(hù)的檢測(cè)電路中限流電阻R1開路（圖4中所示紅色圓圈標(biāo)注的電阻），導(dǎo)致發(fā)射機(jī)檢測(cè)不到PSM過流信號(hào)，不能進(jìn)行快速保護(hù)。當(dāng)個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí)，無法封鎖調(diào)制器輸出，造成故障擴(kuò)大，最終引起了大面積的連鎖反應(yīng)。

圖4 接地故障傳感器原理圖

圖4中，R1、R2串聯(lián)，分別為10歐姆2W色環(huán)電阻。由于R1阻值的變化導(dǎo)致發(fā)射機(jī)出現(xiàn)過流時(shí)控制系統(tǒng)檢測(cè)不到過流信號(hào)，不能快速保護(hù)功率模塊。發(fā)射機(jī)在滿功率播音過程中處于無保護(hù)狀態(tài)。因此，對(duì)該保護(hù)電路的參數(shù)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保電路在關(guān)鍵時(shí)刻起到保護(hù)作用。

3.2 快速二極管的故障隱患

在故障現(xiàn)象匯總中，可以看到大量快速二極管被擊穿和燒毀。該二極管的作用在第二節(jié)中已經(jīng)介紹，這里不再贅述。通過與其它短波發(fā)射機(jī)型模塊單元的對(duì)比分析，該二極管可能存在三方面的隱患：

3.2.1 短路故障

圖5 快速二極管短路故障示意圖

當(dāng)快速二極管出現(xiàn)短路故障時(shí)（如圖5所示），E18、E19處于短路狀態(tài)，如果此時(shí)DC管導(dǎo)通，則IGBT被短路，電流很大。如果模塊保護(hù)電路不靈敏，瞬間過大電流將可能使IGBT、整流二極管等器件損壞，并引起連鎖反應(yīng)的大面積損毀。如果過流時(shí)能通過控制保護(hù)電路及時(shí)將IGBT輸出關(guān)斷，則模塊不再參與工作，避免故障擴(kuò)大，同時(shí)能保證整個(gè)高壓通路的正常工作。

圖6 快速二極管開路故障示意圖

3.2.2 開路故障

當(dāng)快速二極管出現(xiàn)開路故障時(shí)（如圖6所示），E12、E13兩端瞬間就加上了全部的末級(jí)屏壓。如果此時(shí)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，則功率模塊承受不了回路中的高電壓，快速二極管和功率模塊上的其它元器件會(huì)因?yàn)檫^電壓發(fā)生爆炸。由爆炸產(chǎn)生的拉弧、煙塵等現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致臨近的功率模塊損壞，從而造成連鎖擴(kuò)大的事故。

3.2.3 引線干擾

快速二極管安裝在散熱片上，通過引線與上下級(jí)模塊連接，引線長度達(dá)20多厘米。而引線過長有可能導(dǎo)致引入大的脈沖，利用電流互感器和高壓測(cè)試儀，將快速二極管上的電壓電流信號(hào)接入示波器。通過觀察測(cè)試數(shù)據(jù)，并未發(fā)現(xiàn)有大的脈沖信號(hào)出現(xiàn)，基本排除引線長度導(dǎo)致模塊損壞的可能。

3.3 功率模塊工作環(huán)境

這里的工作環(huán)境主要是指溫度條件和散熱措施。功率模塊單元的IGBT、快速二極管和整流二極管在長時(shí)間工作狀態(tài)下，溫度會(huì)有顯著的升高。此時(shí)，如果安裝位置不合理，不利于元件的散熱，或是機(jī)房環(huán)境溫度過高，沒有有效的散熱措施，這些都將直接影響功率模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)所有模塊工作狀態(tài)的溫度測(cè)試，我發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題。一是不同的模塊安裝位置，溫度相差較大。同一個(gè)安裝塔的模塊，最上層模塊的溫度比最下層高10度左右;二是大部分模塊工作溫度較高，平均達(dá)50度左右，個(gè)別最高溫度達(dá)到90攝氏度。因此，有效地降低模塊的工作溫度也是迫在眉睫的問題。

4.故障處理措施

針對(duì)前節(jié)的分析，我將故障的處理措施主要放在調(diào)整保護(hù)線路、重新選擇元件、加強(qiáng)散熱降溫上。

4.1 調(diào)整保護(hù)線路

對(duì)于單個(gè)模塊過流保護(hù)線路，重新將保護(hù)電流門限值設(shè)為為105A，重新計(jì)算康銅絲的長度得知：L=U/I/ρ=（1.3V/105A/0.000955Ω/mm） *4=51.857mm

因此，將原來的長度為25mm的康銅絲更換為52mm的康銅絲。對(duì)于PSM過流保護(hù)線路，原來的電阻R1為10Ω/2W的色環(huán)電阻，現(xiàn)在采用兩只20Ω/5W色環(huán)電阻并聯(lián)使用。這樣處理有兩個(gè)作用：一是提高了電阻R1的功率;二是當(dāng)一個(gè)電阻出現(xiàn)故障開路時(shí)，另一個(gè)電阻仍然可以繼續(xù)工作。通過測(cè)試，上述的兩處改進(jìn)確實(shí)提高了保護(hù)線路的靈敏度，使其能夠在關(guān)鍵時(shí)刻起到保護(hù)的作用。

4.2 快速二極管的改進(jìn)

原功率模塊單元中使用的快速二極管型號(hào)為DSEI-120-12A。通過前節(jié)的分析，我認(rèn)為原設(shè)計(jì)使用的快速二極管容量偏小，特別是在連續(xù)、長時(shí)間、滿負(fù)荷的運(yùn)行中，極易造成該二極管的短路或開路故障，帶來極大的隱患。因此，需要選用容量更大的快速二極管代替原有型號(hào)。經(jīng)過考察，最終確定了DSEI2X-101-12A型二極管，并且采用雙管并聯(lián)使用。這樣的選擇充分考慮了快速二極管的設(shè)計(jì)余量，尤其是當(dāng)一個(gè)管子意外損壞時(shí)，另一個(gè)管子能提供正常通路，防止出現(xiàn)開路現(xiàn)象。統(tǒng)一更換該二極管后，發(fā)射機(jī)指標(biāo)正常，工作狀態(tài)良好。

4.3 改進(jìn)散熱措施

為了更有效地降低模塊溫度，我們對(duì)風(fēng)冷通道進(jìn)行了改進(jìn)。在模塊安裝塔中心的原通風(fēng)通道上加裝了分流板（見圖7模塊安裝塔加裝分流板）。分流板適當(dāng)?shù)母淖兞死鋮s風(fēng)機(jī)從塔底向上的送風(fēng)風(fēng)向，使得冷卻風(fēng)更集中的從散熱器上吹過。這樣就很大程度上優(yōu)化了風(fēng)的流向，提高了現(xiàn)有冷卻風(fēng)的冷卻效率。

圖7 模塊安裝塔加裝分流板

經(jīng)過測(cè)試，加裝了分流板后，功率模塊散熱器工作溫度下降了7度。同時(shí)，功率模塊在不同安裝位置的溫差也大大降低了，模塊的工作環(huán)境得到很大的改善。

5.結(jié)束語

本文介紹了新型國產(chǎn)大功率發(fā)射機(jī)在調(diào)試過程中反復(fù)出現(xiàn)的功率模塊故障，闡述了該型號(hào)功率模塊的工作原理，并以此為基本依據(jù)，以故障現(xiàn)象為線索，從保護(hù)線路、元器件選型、工作環(huán)境改進(jìn)三個(gè)方面進(jìn)行了多角度具體的研究。通過針對(duì)性的處理解決方案，很好的加強(qiáng)了保護(hù)措施、排除了故障隱患、優(yōu)化了原有設(shè)計(jì)，切實(shí)提高了功率模塊工作的穩(wěn)定性。應(yīng)該說，通過這次故障分析與處理的全過程，我們找到了類似工作的方法和思路，是一次非常有益的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的經(jīng)歷。

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