劉 浩

(國(guó)家新聞出版廣電總局七二四臺(tái)，陜西 寶雞 722400)

DF100A PSM 短波發(fā)射機(jī)把主整和調(diào)幅器合二為一，并把主整電壓化整為零，全機(jī)共有50 個(gè)功率開(kāi)關(guān)模塊，即50個(gè)PSM 開(kāi)關(guān)。每個(gè)PSM 開(kāi)關(guān)由低壓整流器、相應(yīng)的濾波器、高速電子開(kāi)關(guān)以及用于空轉(zhuǎn)的箝位二極管組成。48 個(gè)功率開(kāi)關(guān)模塊為射頻功放提供屏壓，每個(gè)模塊的輸出電壓為700 V;其余兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)模塊為射頻功放管提供簾柵壓，每塊的輸出電壓約600 V。功率開(kāi)關(guān)控制單元的主要功能有三:1)把光發(fā)射器送來(lái)的“合”、“斷”光指令轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并去合上或拉開(kāi)相應(yīng)的PSM 開(kāi)關(guān)。2)分別對(duì)PSM 開(kāi)關(guān)級(jí)進(jìn)行自我檢測(cè)和實(shí)行故障保護(hù)。3)通過(guò)光纜和光接收器，把每個(gè)PSM 開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)和外電電壓變化情況的信息，反饋給開(kāi)關(guān)狀態(tài)單元。每套整流器一般為三相全波整流電路，其輸出電壓分別受電子開(kāi)關(guān)所控制。組成電子開(kāi)關(guān)的主要器件為絕緣門(mén)雙極晶體管(Insulated Gates Bipolar Transistor—簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT)。而這些電子開(kāi)關(guān)又受控于直流控制信號(hào)和音頻調(diào)制信號(hào)，從而使射頻被調(diào)級(jí)獲得載波點(diǎn)的直流屏壓和高電平的音頻調(diào)制電壓。為了使部分IGBT 關(guān)斷時(shí)能保持整體串聯(lián)電路一直處于連通狀態(tài)，每套整流器的直流輸出電壓及其相應(yīng)的IGBT 輸出端還并聯(lián)反向二極管。一套低壓整流器的直流輸出電壓和IGBT 組成的電子開(kāi)關(guān)再加上相應(yīng)的反向二極管，稱(chēng)為一級(jí)PSM 開(kāi)關(guān)。可見(jiàn)IGBT 是DF100A PSM 短波發(fā)射機(jī)功率開(kāi)關(guān)中的關(guān)鍵器件，對(duì)IGBT電路進(jìn)行必要的分析研究，對(duì)維護(hù)此類(lèi)型短波發(fā)射機(jī)具有重要意義。

1 IGBT 基本原理及在PSM 發(fā)射機(jī)開(kāi)關(guān)電路中使用優(yōu)點(diǎn)

1.1 IGBT 基本工作原理

IGBT(insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET 的高輸入阻抗和GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V 及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT 的等效電路如圖1 所示。它是由雙極型三極管和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的功率半導(dǎo)體器件。若在IGBT 的柵極G 和發(fā)射極E 之間加上驅(qū)動(dòng)電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣晶體管的集電極C 與發(fā)射極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT 的柵極G 和發(fā)射極E 之間電壓為0 V，則MOSFET 截止，切斷晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

圖1 IGBT 的等效電路

在DF100A 型PSM 短波發(fā)射機(jī)功率模塊中，它實(shí)際上由兩只晶體管復(fù)合而成，電路圖如圖2 所示，靠近電源的一只叫保護(hù)管，靠近負(fù)載的一只叫開(kāi)關(guān)管，這兩只晶體管的柵極具有場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制特性，發(fā)射集和集電極間具有晶體三極管和可關(guān)斷可控硅的電流控制特性，兩管的控制信號(hào)分別輸入到各自的柵極和發(fā)射極之間。在正常情況下保護(hù)管將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管短路或開(kāi)路時(shí)，開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)及保護(hù)電路發(fā)出一個(gè)信號(hào)，將保護(hù)管切斷。

圖2 700 V 開(kāi)關(guān)模塊—PSM 開(kāi)關(guān)

1.2 IGBT 在PSM 發(fā)射機(jī)功率開(kāi)關(guān)使用中的優(yōu)點(diǎn)

1)開(kāi)關(guān)管的額定工作頻率大幅提高，而且絕緣門(mén)雙極晶體管對(duì)電壓變化率du/dt 并無(wú)規(guī)定限額，從而可以獲得兩方面的效益:a)為開(kāi)關(guān)管外設(shè)的保護(hù)電路可以取消;b)采用高速開(kāi)關(guān)管又無(wú)外設(shè)保護(hù)電路的電子開(kāi)關(guān)，其通、斷時(shí)間明顯縮小，相應(yīng)的前后沿?fù)p耗也隨其大幅減小。

2)采用高速開(kāi)關(guān)管組成的PSM 開(kāi)關(guān)無(wú)論對(duì)哪個(gè)音頻上升階梯所構(gòu)成的延時(shí)都很小，所以最大上升沿時(shí)間和最小上升沿時(shí)間的差別也很小。不需要再增加前沿時(shí)差補(bǔ)償器，從而使數(shù)字化音頻電路大為簡(jiǎn)化，既提高了音頻質(zhì)量的穩(wěn)定性，又降低了故障率。

2 DF100A PSM 短波發(fā)射機(jī)IGBT 功率開(kāi)關(guān)電路的具體分析

2.1 功率開(kāi)關(guān)電路的原理

功率開(kāi)關(guān)是一個(gè)脈寬調(diào)制單元，它的開(kāi)關(guān)頻率能達(dá)到10 kHz，并為它的負(fù)載提供平均2.1 kW 的功率。功率開(kāi)關(guān)在上升和下降沿少于400 ns 時(shí)間內(nèi)提供700 V 的脈沖。48個(gè)功率開(kāi)關(guān)以串聯(lián)的形式形成一個(gè)100 或150 kW 的固態(tài)調(diào)制器。圖3 為功率開(kāi)關(guān)電路圖。

圖3 功率開(kāi)關(guān)電路圖

功率開(kāi)關(guān)由E1、E2 和E3 接入三相500V(有效值)電源，RV1、RV2 和RV3 是壓敏電阻，用于在外電變化時(shí)對(duì)功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)使用三組雙二極管模塊CR2、CR4 和CR6實(shí)現(xiàn)三相全波整流。整流輸出的儲(chǔ)能是由電容C3 和C4 完成的。電阻R3 和R4 作為這兩個(gè)電容的分壓器，DS1 是電容器上電壓維持情況的指示器。變壓器T1 和T2 都是降壓變壓器，為A1 提供兩組相互隔離的12 V(有效值)電壓。

Q1 是一對(duì)絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)模塊。兩個(gè)管子都具有Vce≥1 000 V 直流和Ic=50 A 連續(xù)工作的額定值。集電極管腳為3 的那個(gè)晶體管稱(chēng)為AC 管，第二個(gè)集電極管腳為1 的晶體管稱(chēng)為DC 管。兩個(gè)晶體管的門(mén)極是通過(guò)R8和R7 加偏置的，并且分別由瞬變抑制二極管(CR9 和CR7)和箝位二極管(CR10 和CR8)進(jìn)行保護(hù)。每一個(gè)晶體管的門(mén)極都是由電路板A1，即功率開(kāi)關(guān)控制板進(jìn)行控制的。在功率開(kāi)關(guān)正常的情況下，AC 管向DC 管提供700 V 的電壓，并且由DC 管控制這700 V 電壓的合斷，以構(gòu)成本塊功率模塊的輸出脈沖電壓。

CR11 是一只反向二極管，它跨接在功率開(kāi)關(guān)的輸出端。這只二極管反向耐壓為1 000 V，正向電流為50 A 以及小于100 ns 恢復(fù)時(shí)間的額定值。反向二極管使得功率開(kāi)關(guān)串接，并使調(diào)制器的負(fù)載電流繞過(guò)未接通的功率開(kāi)關(guān)。

功率開(kāi)關(guān)具有對(duì)內(nèi)部故障進(jìn)行檢測(cè)，并且將本級(jí)模塊從固態(tài)調(diào)制器電路中移開(kāi)的能力。如果DC 管出現(xiàn)短路或開(kāi)路故障，在A(yíng)1 電路板上的一個(gè)相位鑒別器(檢測(cè)器)將會(huì)識(shí)別出這類(lèi)故障，并且將AC 管關(guān)斷。由于將AC 管關(guān)斷了，這塊有毛病的功率開(kāi)關(guān)就從調(diào)制器的電路脫開(kāi)了。這個(gè)開(kāi)關(guān)的去除也將被調(diào)制器的控制器識(shí)別出，由控制器把這個(gè)有故障的開(kāi)關(guān)脫開(kāi)。如果功率開(kāi)關(guān)在輸出端短路了，那么在E4～E11 之間跨接的那些電阻性的導(dǎo)線(xiàn)兩端的電壓將升高。這個(gè)增加的電壓將使A1 板上(通過(guò)R5 和R6)的一個(gè)光電隔離管導(dǎo)通，由此將關(guān)斷DC 晶體管。如果這個(gè)短路現(xiàn)象持續(xù)著，相位檢測(cè)電路將被觸發(fā)，使得這個(gè)功率開(kāi)關(guān)從調(diào)制器電路中脫開(kāi)。

每個(gè)功率開(kāi)關(guān)模塊上都附有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)控制器板，用其控制保護(hù)管和開(kāi)關(guān)管，由于功率開(kāi)關(guān)模塊及其控制器都懸浮于高電位，所以它同地電位處的控制信號(hào)依靠?jī)蓷l高絕緣的光纜相聯(lián)系。其中，一條光纜用于接收來(lái)自循環(huán)調(diào)制器的合或斷開(kāi)關(guān)管的指令信號(hào);另一條光纜用于傳遞本塊功率開(kāi)關(guān)是否工作正常的信息。

2.2 功率開(kāi)關(guān)保護(hù)電路

壓敏電阻RV1、RV2 和RV3 是三只具有齊納二極管的負(fù)阻特性的電阻，當(dāng)輸入外電電壓高達(dá)510 V 時(shí)(峰值為721 V)，正好進(jìn)入他們的負(fù)阻導(dǎo)通區(qū)。使輸入電壓被箝位在510 V，防止來(lái)自供電電源上的浪涌電壓。輸入電壓低于510 V 時(shí)，三只電阻呈開(kāi)路狀態(tài)。

從DC 管發(fā)射極經(jīng)由過(guò)載保護(hù)拾電鎳阻絲到負(fù)載。該電阻絲由四根并聯(lián)，每根0.1 Ω，總計(jì)0.025 Ω;與30 A 過(guò)載電流相對(duì)應(yīng)的保護(hù)性控制電壓為0.75 V，在正常情況下則相當(dāng)于短路。當(dāng)本級(jí)PSM 開(kāi)關(guān)合上時(shí)，負(fù)載電流由G1 管導(dǎo)通，而本級(jí)PSM 開(kāi)關(guān)拉開(kāi)時(shí)，則負(fù)載電流被反向二極管CR11 所旁路。所謂反向二極管，由于它在G1 管導(dǎo)電時(shí)承受反電壓而得名。CR11 導(dǎo)電的條件是:G1 管關(guān)斷而且與G1 管并聯(lián)的分布電容被充電到電源電壓(700 V)以上，即CR11 處于少量正向電壓下才能導(dǎo)通負(fù)載電流。在功率開(kāi)關(guān)輸出端跨接著2 ×47 kΩ 和DS2 的串聯(lián)組合，其中的DS2 是發(fā)光二極管，用于指示本塊開(kāi)關(guān)板是否正常。盡管G1 管導(dǎo)通時(shí)DS2得電、而當(dāng)G1 管關(guān)斷時(shí)DS2 也斷電，但因G1 管經(jīng)常處于快速通斷狀態(tài)下，所以開(kāi)機(jī)后DS2 保持發(fā)亮。唯獨(dú)在這個(gè)功率開(kāi)關(guān)模塊發(fā)生故障時(shí)，即AC 管或DC 管被長(zhǎng)時(shí)間切斷，DS2才處于熄滅狀態(tài)，以便值機(jī)員發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。

一般發(fā)射機(jī)的主整濾波電容器儲(chǔ)能高達(dá)數(shù)千至上萬(wàn)焦耳，在發(fā)生負(fù)載通地或?qū)Φ卮蚧鸸收蠒r(shí)，加入不能快速切斷負(fù)載或迅速泄放掉濾波器的儲(chǔ)能，往往會(huì)造成大故障，甚至是災(zāi)害性的故障。這里所說(shuō)的速斷、速放，常用的油閘、繼電器和真空開(kāi)關(guān)等因動(dòng)作延時(shí)偏長(zhǎng)，是不能勝任的，所以要用阻尼電阻、限流電感，或采取引燃管快速泄放儲(chǔ)能。所有這些措施，都要付出相當(dāng)高的代價(jià)。PSM 發(fā)射機(jī)則不同，不但主整濾波器儲(chǔ)能相對(duì)較小，而且尤為重要的是:充當(dāng)電子開(kāi)關(guān)的48 個(gè)IGBT 足以勝任“速斷”的要求，它可以在3～5 uS內(nèi)切斷電源和負(fù)載的聯(lián)系，主整儲(chǔ)能已被化整為零而又切斷負(fù)載分別泄放，剩下與負(fù)載相連的儲(chǔ)能只是解調(diào)器的儲(chǔ)能，一般為幾個(gè)或幾十個(gè)焦耳，決不會(huì)使故障擴(kuò)大化。

3 IGBT 管的日常使用維護(hù)

3.1 IGBT 管的檢測(cè)

IGBT 管的好壞可用指針萬(wàn)用表的Rxlk 檔來(lái)檢測(cè)，或用數(shù)字萬(wàn)用表的“二極管”檔來(lái)測(cè)量PN 結(jié)正向壓降進(jìn)行判斷。檢測(cè)前先將IGBT 管三只引腳短路放電，避免影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度;然后用指針萬(wàn)用表的兩枝表筆正反測(cè)G、e 兩極及G、c兩極的電阻，對(duì)于正常的IGBT 管(正常G、e 兩極與G、c 兩極間的正反向電阻均為無(wú)窮大;內(nèi)含阻尼二極管的IGBT 管正常時(shí)，e、C 極間均有4 kΩ 正向電阻)，上述所測(cè)值均為無(wú)窮大;最后用指針萬(wàn)用表的紅筆接c 極，黑筆接e 極，若所測(cè)值在3.5 kΩ 左右，則所測(cè)管為含阻尼二極管的IGBT 管，若所測(cè)值在50 kΩ 左右，則所測(cè)IGBT 管內(nèi)不含阻尼二極管。對(duì)于數(shù)字萬(wàn)用表，正常情況下，IGBT 管的e、C 極間正向壓降約為0.5 V。測(cè)得IGBT 管三個(gè)引腳間電阻均很小，則說(shuō)明該管已擊穿損壞;若測(cè)得IGBT 管三個(gè)引腳間電阻均為無(wú)窮大，說(shuō)明該管已開(kāi)路損壞。在DF100A 型PSM 短波發(fā)射機(jī)功率開(kāi)關(guān)電路中IGBT 管多為擊穿損壞。

3.2 DF100A 型PSM 短波發(fā)射機(jī)IGBT 功率開(kāi)關(guān)故障一例

故障現(xiàn)象:高末簾柵連續(xù)過(guò)荷，降功率無(wú)效，但將激勵(lì)全部退掉，發(fā)現(xiàn)末級(jí)仍有700 V 簾柵壓。

故障原因:一級(jí)高末簾柵功率模塊IGBT 被擊穿，造成一加高壓便有700 V 簾柵壓加在電子管上，且不受調(diào)制器控制器控制，使簾柵壓先上，從而造成過(guò)荷。

處理方法:迅速更換該級(jí)功率模塊。

3.3 IGBT 管使用注意事項(xiàng)

由于IGBT 模塊為MOSFET 結(jié)構(gòu)，IGBT 的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20 V～30 V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT 失效的常見(jiàn)原因之一。在柵極-發(fā)射極間開(kāi)路時(shí)，若在集電極和發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過(guò)，柵極電位升高，集電極則有電流流過(guò)，這時(shí)如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱至損壞。在安裝或更換IGBT 模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度，為減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT 模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。在使用模塊時(shí)，手持分裝件時(shí)，勿觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分。當(dāng)必須觸摸模塊端子時(shí)，要帶防靜電手套。在用導(dǎo)電材料連接IGBT 的驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線(xiàn)未接好之前，先不要接上模塊。盡量在底板良好接地的情況下操作，如焊接時(shí)，電烙鐵要可靠接地。

4 結(jié)束語(yǔ)

DF100A PSM 短波發(fā)射機(jī)技術(shù)上的最大優(yōu)點(diǎn)之一就是把主整和調(diào)幅器合二為一并把主整電壓化整為零，IGBT 在DF100A 型PSM 短波發(fā)射機(jī)功率開(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)用，體現(xiàn)了DF100A 型PSM 短波發(fā)射機(jī)在先進(jìn)器件運(yùn)用方面的一大進(jìn)步，對(duì)此電路進(jìn)行研究分析，摸清電路特點(diǎn)，可以提高維護(hù)水平，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］魏瑞發(fā)，陳錫安.脈階調(diào)制設(shè)備［Z］.無(wú)線(xiàn)電臺(tái)管理局教育處編印，1999.11.