李劉奇

國(guó)家新聞出版廣電總局542 臺(tái)，北京100045

0 引言

在大功率短波發(fā)射機(jī)中，功率模塊由于數(shù)量多、工作電壓高、工作電流大、開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁，故其穩(wěn)定性直接關(guān)系到發(fā)射機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。為了與DMR2000 數(shù)字調(diào)制器更好的配合工作，從而達(dá)到最佳的電聲指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)播音的目標(biāo)。由無(wú)線(xiàn)電臺(tái)管理局開(kāi)發(fā)處自主研發(fā)設(shè)計(jì)了新型數(shù)字功率模塊和控制板。為了便于改造工作的進(jìn)行和后期的維護(hù)，新型數(shù)字功率模塊和控制板的外形和安裝尺寸均與模擬的功率模塊和控制板保持一致。但是全新的數(shù)字電路系統(tǒng)帶來(lái)了全新的工作原理尤其是大幅提高對(duì)于功率模塊的保護(hù)效率，使功率模塊的運(yùn)行更加穩(wěn)定。

1 典型故障解析

1.1 發(fā)射機(jī)加高壓后大量功率模塊出現(xiàn)故障指示

故障現(xiàn)象：發(fā)射機(jī)加高壓后，初始D7、D8 板（調(diào)制接口板）所有功率模塊工作指示燈（綠燈）正常全部亮起，隨后幾秒鐘后功率模塊工作指示（綠燈）相繼滅掉，故障指示燈（紅燈）亮起，隨著故障指示燈亮起數(shù)量增加，調(diào)制器判斷損壞功率模塊數(shù)超過(guò)最高限值（15塊）從而是發(fā)射機(jī)落高壓。

故障分析：

1）過(guò)流保護(hù)：由于從調(diào)制器總體輸出到高末電子管屏極的整個(gè)回路中出現(xiàn)短路導(dǎo)致功率模塊上電流超過(guò)限定閥值，引起過(guò)流保護(hù)。

過(guò)流保護(hù)原理：通過(guò)功率模塊上的高速電流傳感器（取代模擬功率模塊上的康銅絲，相比于康銅絲電流傳感器的精度更高，響應(yīng)快：在1us 內(nèi)將功率模塊的過(guò)流信息傳遞給模塊控制板）對(duì)功率模塊的工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將電流采樣值（電流傳感器以1:1000 的比例對(duì)采樣電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，次級(jí)輸出電流為25mA，可以通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)量電阻改變次級(jí)輸出到控制板的信號(hào)電壓值，從而調(diào)節(jié)過(guò)流保護(hù)閥值。）與參考電壓值進(jìn)行比較，結(jié)果傳送給模塊控制板的控制邏輯（CPLD）判斷，當(dāng)出現(xiàn)電流超限時(shí)，切斷功率模塊輸出，保護(hù)功率器件。

圖1 過(guò)流保護(hù)原理框圖

2）失步保護(hù)：調(diào)制器總體輸出到高末電子管屏極的整個(gè)回路中出現(xiàn)開(kāi)路可能會(huì)導(dǎo)致功率模塊關(guān)閉后在無(wú)負(fù)載的情況下IGBT 中DC 管的輸出電荷（雜散電容）泄放不掉，使系統(tǒng)判斷功率模塊仍然打開(kāi)，觸發(fā)失步保護(hù)，關(guān)閉功率模塊進(jìn)行保護(hù)。

失步保護(hù)原理（圖2）：

實(shí)時(shí)采樣功率模塊（IGBT）的開(kāi)關(guān)情況，信號(hào)經(jīng)光藕后輸入CPLD 與光收器收回的數(shù)字調(diào)制器控制信號(hào)（進(jìn)過(guò)整形、延時(shí)）進(jìn)行異或比較，結(jié)果由CPLD 判斷，當(dāng)出現(xiàn)失步保護(hù)時(shí)切斷功率模塊輸出，保護(hù)功率器件。另會(huì)傳送一組失步脈寬信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC 后給到單片機(jī)，最終經(jīng)光發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)（功率模塊的狀態(tài)以及采樣電壓值）給數(shù)字調(diào)制器進(jìn)行功率模塊的狀態(tài)指示并停止參加模塊循環(huán)隊(duì)列。

圖2 失步保護(hù)原理框圖

解決辦法：連接調(diào)制器D5 板（綜合算法板）串口后，在發(fā)射機(jī)加起高壓后實(shí)時(shí)采集（保護(hù)瞬間）的數(shù)據(jù)，以”FF”為數(shù)據(jù)包頭，字節(jié)56～183 為模塊電壓值，其中每?jī)蓚€(gè)字節(jié)代表一個(gè)模塊電壓（有效位14bit，其中高4 位為狀態(tài)位，低10 位為電壓值），共64 個(gè)模塊，只用前48 個(gè)。如 果高四位為0011，則代表目前模塊處于失步保護(hù)狀態(tài)；如果高四位為1001，則代表目前模塊處于過(guò)流保護(hù)狀態(tài)。清楚了引起保護(hù)的具體原因則可有針對(duì)性的查找問(wèn)題源頭。

1.2 關(guān)于數(shù)字系統(tǒng)需要充分放電的問(wèn)題

故障描述：當(dāng)發(fā)射機(jī)落高壓與再次加高壓的間隔時(shí)間小于1.5s 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大面積的功率模塊的工作指示燈不亮而故障指示燈亮，甚至導(dǎo)致發(fā)射機(jī)落高壓保護(hù)（故障模塊超過(guò)15 塊）。

故障分析：功率模塊關(guān)閉后，功率模塊上的數(shù)字功率模塊控制板的供電電路中濾波電容需要充分放電。在數(shù)字系統(tǒng)中，如果電容 放電不完全即開(kāi)始重新充電工作，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)字芯片本身進(jìn)入死鎖狀態(tài)，從而導(dǎo)致控制板工作不穩(wěn)定給出故障指示。

圖3

解決辦法：每次發(fā)射機(jī)落高壓到下次加高壓的間隙大于1.5s 以上，給與電容充分放電的時(shí)間即可。

1.3 功率模塊保護(hù)過(guò)于靈敏的問(wèn)題（欠飽和保護(hù)）

故障描述：發(fā)射機(jī)加高壓后，加調(diào)幅至70%～90%時(shí)，功率模塊開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)故障指示而退出工作，直至超出最大可損壞功率模塊數(shù)的限制，發(fā)射機(jī)自動(dòng)保護(hù)落高壓。

故障分析：調(diào)幅度增大帶來(lái)發(fā)射機(jī)輸出電流增大，功率模塊輸出電流增大，數(shù)字功率模塊控制板的失步電平進(jìn)一步增大，失步脈寬變寬，導(dǎo)致消隱C3 電容充電速度變快；當(dāng)消隱電容C3 端電壓充電至6.5V 時(shí)(閥值)，IGBT 仍然不能充分導(dǎo)通，此時(shí)經(jīng)MC33153 芯片內(nèi)部比較器判斷給出欠飽和故障指示，功率模塊控制板控制功率模塊停止工作。

欠飽和工作原理：當(dāng)功率模塊控制板的光收器收到來(lái)自于數(shù)字調(diào)制器的打開(kāi)信號(hào)后，在無(wú)其他故障保護(hù)前提下，經(jīng)過(guò)光藕進(jìn)行光電隔離后輸入IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片MC33153，經(jīng)芯片輸出驅(qū)動(dòng)IGBT 打開(kāi)與關(guān)斷。當(dāng)當(dāng)前信號(hào)為關(guān)閉IGBT 指令時(shí)，芯片輸入端為高電平，輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)為低電平，而此時(shí)位于芯片內(nèi)部消隱比較器旁的NPN 三極管輸入為高電平，三極管導(dǎo)通從而鉗位比較器的輸入，防止出現(xiàn)故障指示；當(dāng)IGBT 打開(kāi)后，MC33153芯片的8 腳（欠飽和輸入引腳）內(nèi)部的電源經(jīng)過(guò)8 腳外部的二極管D1、D2 進(jìn)行泄放，從而保證8 腳的無(wú)積累電壓； 當(dāng)IGBT 柵極為高電平，IGBT 打開(kāi)，8 腳外部的二極管關(guān)短，此時(shí)芯片8 腳內(nèi)部的消隱比較器輸入端的電源開(kāi)始為消隱電容C3 進(jìn)行充電，當(dāng)C3 端電壓達(dá)到6.5V（消隱比較器閥值）時(shí)，如果IGBT 仍沒(méi)有充分打開(kāi)，此時(shí)消隱比較器會(huì)給輸出低電平信號(hào)并與芯片輸入信號(hào)相與后饋入短路和過(guò)流鎖存器，過(guò)流鎖存器會(huì)在剩余周期內(nèi)關(guān)閉IGBT。同時(shí)由芯片7 腳輸出故障指示信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后給到CPLD，進(jìn)行欠飽和保護(hù)，關(guān)閉模塊，保護(hù)功率器件。

圖4 欠飽和保護(hù)原理框圖

圖5 MC33153 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

解決辦法：設(shè)計(jì)之初的控制板消隱C3 電容值為10pf，設(shè)計(jì)目的是以保護(hù)為主，可能會(huì)使控制板的欠飽和保護(hù)工作在臨界狀態(tài)，會(huì)比較容易造成超出臨界狀態(tài)而保護(hù)的現(xiàn)象，將消隱電容C3 值改為2.2nf（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)），延長(zhǎng)消隱時(shí)間，提高了發(fā)射機(jī)功率模塊關(guān)斷門(mén)限電平，即可解決此問(wèn)題。

2 結(jié)論

由于新型數(shù)字功率模塊控制板出色的保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)功率模塊運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)可以在第一時(shí)間進(jìn)行快速保護(hù)，不僅可以更好保證發(fā)射機(jī)的運(yùn)行不受故障功率模塊的影響，從而保證了發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)也有效的延長(zhǎng)了功率模塊的使用壽命。推廣運(yùn)行幾年來(lái)，故障損壞率低，運(yùn)行穩(wěn)定。

[1] 劉洪才.廣播發(fā)射新技術(shù)[M].中國(guó)廣播電視出版社，2010.