雙功率模塊故障分析及處理

姬春利

（國家廣電總局五九四臺 陜西 咸陽 712000）

0 引言

在日常檢修維護(hù)工作中我們經(jīng)常會遇到雙功率模塊部分因各種原因造成其無法正常工作。功率模塊部分由變壓器和功率模塊兩種不同類型的部件組成，這里主要就模塊部分經(jīng)常出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行分析和處理。

1 功率模塊組成結(jié)構(gòu)

設(shè)備采用26個雙功率模塊設(shè)計，分為兩大類:公共部分包含了模塊所需的通用器件，如保險F1，變壓器T11，電流互感器LEM，模塊阻流圈L24，接地開關(guān)放電電阻R21/R22，電容充電電路等；功率部分作為模塊的核心，包含IGBT，整流二極管V1-V6，電容組C20A-C20H，IGBT控制電路，模塊控制板。

2 功率模塊的測試環(huán)境

由于設(shè)備長時間滿負(fù)荷工作且故障經(jīng)常就出現(xiàn)在公共部分和功率部分，但對于上述問題，除保險類故障外，我們無法準(zhǔn)確判斷出是那一部分的故障?？紤]到設(shè)備模塊都是懸浮與高電位，在設(shè)備上無法進(jìn)行測試，于是這里引入超級終端測試環(huán)境。

測試軟件具體設(shè)置如下:連接VT100（計算機(jī)）:在XP開始菜單—附件—通訊—超級終端，然后打開文件菜單—屬性—設(shè)置—終端仿真（VT100J），用RS232電纜連接模塊上的X29與計算機(jī)的串口，該串口必須設(shè)置為:9600bps，8bit數(shù)據(jù)位，1bit停止位，沒有奇偶效驗位。

測試連線:用光纖短路光纖接口；連接電源:連接電源到模塊的保險座，拔下模塊上的X11插頭，插上測試電源上的X11插頭；測試時模塊必須短路，此時模塊的阻流圈作為測試負(fù)載，通過一根電纜短路模塊上的X3-VD端子與L24線圈的中心端來實現(xiàn)。

測試過程:合上測試電源，在計算機(jī)上運(yùn)行超級終端，并按空格鍵。屏幕的上方將會顯示模塊的各項測試數(shù)據(jù)。等待充電結(jié)束，這時接觸器應(yīng)該吸合，利用功率模塊中集成的自檢單元BITE的測試功能，根據(jù)命令可執(zhí)行不同的功能?！皌est 0”命令將執(zhí)行所有的測試。模塊的控制部分通過測量系統(tǒng)可得到多達(dá)15個物理量的模塊工作狀態(tài)信息，模擬信號有:5個模塊電壓，2個電流；數(shù)字信號有:溫度，保險狀態(tài)，過/欠流，過/欠壓等等。

測試項目有:光纖連接測試，溫度開關(guān)的測試，IGBT開關(guān)同步測試，最小開合時間測試，最小關(guān)斷時間測試，過流保護(hù)。F＜f＞＜dty＞:手動測試時該命令可發(fā)出一個頻率和占空比可變的測試音頻。＜f＞代表頻率；＜dty＞代表占空比。PULSE＜t＞:產(chǎn)生一個脈沖信號，脈沖寬度為:＜t＞，單位是微秒。

測試工作數(shù)據(jù)主要有:正直流電壓V1，負(fù)直流電壓V2，功率模塊平均電流Istage，IGBT平均電流Iigbt，電源相電壓Vline，功率模塊輸出功率Pstage，接觸器狀態(tài)Contactor，IGBT控制允許IGBT Enable。

測試警告、故障信號指示主要有:IGBT開合對應(yīng)關(guān)系錯誤 Corr On/Corr Off，IGBT開合控制脈沖小于 2微秒＜Min On/＜Min Off， IGBT 控制脈沖頻率過高＞Max.Frequency， IGBT驅(qū)動器故障信號，驅(qū)動電壓過低或IGBT短路Short Circuit，模塊過流，將導(dǎo)致發(fā)射機(jī)高壓保護(hù)＞I，2秒鐘內(nèi)模塊出現(xiàn)3次過流＞Irep，模塊溫度監(jiān)測，溫度繼電器動作Temp，保險跳Fuse，電源超出限定范圍LineV，控制系統(tǒng)故障Control，電容電壓不對稱，電容壞CapUnsym。

3 對模塊故障原因進(jìn)行分析處理

首先，見圖1功率模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由此可清楚的了解模塊各部分的故障成因。

3.1 軟件測試中反映出的故障信息分析

3.1.1 光纖連接測試

每對光纖分為為控制和反饋兩種類型，其中控制光纖通過光脈沖信號來控制開關(guān)模塊的開合與關(guān)斷；反饋光纖用來傳送模塊的狀態(tài)信息和其它運(yùn)行數(shù)據(jù)，基本無問題，若出現(xiàn)故障則肯定是控制板損壞所致。

3.1.2 溫度開關(guān)的測試

在運(yùn)行維護(hù)中，發(fā)現(xiàn)S20溫控開關(guān)自身是非?？煽康?，多為更換模塊時造成S20連接線短路或通地造成，這個開關(guān)的過限動作由發(fā)光二極管V111所指示。

圖1 雙功率模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 IGBT開關(guān)同步測試

在檢測中可能顯示IGBT各項均正常但在高頻環(huán)境中會出現(xiàn)工作時好時壞現(xiàn)象，但又找不到原因，處理辦法在模塊處于正常工作時，利用檢測部分串口接入，測試命令同上，可觀察出是A21或者A22處于Corr On/Corr Off，可判斷器故障點，經(jīng)過反復(fù)試驗后判斷多為IGBT連接控制板連線虛接造成或是控制板插針變形所致，此時IGBT的控制信號將被中斷250ms。同時將故障信息存儲在非易失RAM中，如果2秒鐘內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)3次故障，模塊將被徹底關(guān)斷，并將模塊故障信息傳送中心控制系統(tǒng)中去。

3.1.4 最小開合/關(guān)斷時間測試

功率模塊控制系統(tǒng)對每個模塊的開關(guān)頻率限制在13kHz。在使用維護(hù)中經(jīng)常出現(xiàn)準(zhǔn)備時正常，但工作時模塊跳，經(jīng)過反復(fù)觀察實驗，原因主要有下面幾點:控制板故障占主要原因，如光纖插接不緊或者是系統(tǒng)遇到干擾，光纖控制系統(tǒng)的光控信號會出現(xiàn)小的毛刺，如果不加處理直接用這個信號去控制IGBT的合斷，將會影響系統(tǒng)的正常工作，并增加功率耗散。元器件在長時間加高壓狀態(tài)極易出現(xiàn)元器件受熱或模塊間的串?dāng)_，造成IGBT開合時間不滿足系統(tǒng)要求，造成工作時跳，解決辦法將故障模塊控制板更換置其他模塊或在模塊控制板信號采集線上加裝頻閉層可很好解決上述問題。

3.1.5 過流保護(hù)測試

系統(tǒng)采用一個電流互感器對模塊的輸出電流、IGBT流過的電流和IGBT驅(qū)動器的飽和電壓進(jìn)行監(jiān)測。如果流過IGBT的電流越限，IGBT驅(qū)動器會馬上發(fā)現(xiàn)并關(guān)斷模塊，同時發(fā)光二極管V116燈亮指示。此外還通過比較器對電路進(jìn)行短路保護(hù)，模塊的過流保護(hù)信號也取自電流互感器的次級輸出，比較器的參考電位通過微控制器的PWM輸出產(chǎn)生，經(jīng)低通濾波后還原為直流電位，可以通過軟件調(diào)節(jié)從0到200A的電流門限值。

出現(xiàn)過流時，模塊將被關(guān)斷250ms，如果在2秒鐘內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)3次過流，模塊將被徹底關(guān)斷。為保證設(shè)備功率模塊總的輸出電壓不受外電變化的影響，每個模塊都對輸出電壓進(jìn)行測量，這是通過電容組的直流最小電壓進(jìn)行監(jiān)控的。如果電壓從未達(dá)到充電閾值，或在工作期間下跌，那么模塊將被關(guān)斷。若電壓正常，則發(fā)光二極管V114燈亮。同時該電壓值通過一個正比例的電壓、頻率轉(zhuǎn)換器變?yōu)轭l率脈沖信號。0-2MHz的頻率范圍對應(yīng)電壓是從600V到900V。模塊正常工作時，這個頻率信號通過反饋光纖被發(fā)送到中心控制系統(tǒng)。

故障點主要有:經(jīng)過電流互感器LEM的連線兩端松；設(shè)備在工作時顯示過流但無法實時顯示是那一個模塊造成的瞬間電流超限連帶放電球放電，有可能是電壓波動或灰塵、溫度等引起，在日常維護(hù)中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備過流造成放電現(xiàn)象，經(jīng)過長期的觀察，發(fā)現(xiàn)在多次出現(xiàn)過流告警后，會出現(xiàn)個別模塊在工作準(zhǔn)備時反映慢，停止工作后迅速去測溫發(fā)現(xiàn)模塊有R21/R22電阻過熱現(xiàn)象，后查為模塊上下級連線及L24變色出現(xiàn)碳化褪色等老化現(xiàn)象，經(jīng)打磨處理、鍍錫或更換后可明顯降低設(shè)備過流報警掉高壓次數(shù)，有效提高設(shè)備穩(wěn)定性。

3.1.6 直流電壓V1/V2測試

在測試時一路電壓不升，可初步判斷系IGBT故障或者電壓升但K11不吸合，需要手動觸碰電壓才可保持，原因有K11自身故障，保險故障，控制板故障，此時對控制板無法進(jìn)行處理只可更換對應(yīng)芯片，但在實際工作中并未有板子芯片，只能更換控制板。

3.1.7 功率模塊平均電流Istage，IGBT平均電流Iigbt，電源相電壓Vline，功率模塊輸出功率Pstage，接觸器狀態(tài)Contactor，IGBT控制允許IGBT Enable六項測試其與正常測試值有較大偏差，可判斷多為IGBT故障，整流橋故障。為了準(zhǔn)確判斷故障點位置，這里介紹一個軟開關(guān)電路，由于模塊使用了大容量的電容組，在高電壓直接充電時產(chǎn)生的浪涌電流只能靠模塊上很小的電感分量來限制，在這種情況下保險將不會起到保護(hù)模塊的作用，為避免充電時產(chǎn)生大的電流損壞設(shè)備，模塊采用了軟開關(guān)電路見圖2，由于減小了電容充電的大電流沖擊，使模塊實際使用的保險大大地減小，并且由于設(shè)計上對電容器的充電電流進(jìn)行了限制，大大延長了整流器二極管和電容器的平均無故障時間和使用壽命。

圖2 軟開關(guān)電路

功能:當(dāng)設(shè)備處于準(zhǔn)備狀態(tài)時模塊通電，此時K1是斷開的，整流二極管V8組成兩個單相半波整流電路，先由2個單相半波整流電路經(jīng)R21和R22限流后，給兩組電容慢速充電至一定電壓，約10秒鐘后，K1動作。通過三相整流電路再給電容快速充電，避免了直接快速充電引起變壓器次級沖擊電流過大，進(jìn)而損壞元件。采用軟開關(guān)措施當(dāng)K1吸合時，充電電流被限制在400A以下。

充電回路:

·當(dāng)T相為正電壓時:

·當(dāng)T相為負(fù)電壓時:

明白了軟開關(guān)電路的組成和其功能，為判斷此類模塊故障點提供了參考。如此類故障表現(xiàn)主要有V8損壞造成模塊不吸合，R21/R22電阻穿造成發(fā)射機(jī)加高壓跳，F(xiàn)6保險爆，K11壞造成加高壓跳，線圈燒等錯誤級故障信息。

3.2 其他在軟件里無法反映的故障

3.2.1 因V21/V22正反向?qū)ㄔ斐稍O(shè)備準(zhǔn)備時，有400v-900V不等的電壓。

3.2.2 故障現(xiàn)象在下機(jī)第一次測試正常后，進(jìn)行第二次測試顯示IGBT電流故障，經(jīng)過反復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)整流二極管模塊V7虛接，由于其屬于標(biāo)準(zhǔn)接法，當(dāng)關(guān)斷負(fù)載時，用于抑制線路中的感性分量產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，防止損壞元器件。正是這個元器件上的接線長時間松動造成電動勢抖動出現(xiàn)的。其故障表現(xiàn)是在上機(jī)環(huán)境下，設(shè)備準(zhǔn)備時，第一次正常，當(dāng)正式工作時告警模塊損壞，但關(guān)掉設(shè)備后再次測試又正常的現(xiàn)象。

3.2.3 電容組對整流后的直流電壓進(jìn)行平滑，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)制器輸出的音頻質(zhì)量，減小雜音電平。同時還可以延長單個電容的使用壽命。濾波電容C20A-C20H分為兩組，每組4個5600uF450V的電解電容兩串兩并連接，相當(dāng)于2個5600uF 900V的電解電容（耐壓值提高了一倍）。為使串聯(lián)的電容電壓平均分配，采用了均壓電阻網(wǎng)絡(luò)，R20A-R20D是四個均壓電阻（10k/50W），也能起到電容靜電的放電作用。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)因電容自身損壞，則無法加高壓；但是因底座6個絕緣固定螺絲送松造成上機(jī)出現(xiàn)時好時壞現(xiàn)象；另2個螺母如若未上緊則出現(xiàn)設(shè)備過流、保險（16A/1A/315mA）爆等現(xiàn)象，所以在日常清理維護(hù)中要針對這些隱患點進(jìn)行經(jīng)常檢查。

3.2.4 功率模塊控制系統(tǒng)，當(dāng)載波電壓的控制要求中心控制系統(tǒng)必須快速地測量出所有正常工作模塊的電壓和，這是通過每個模塊反饋光纖向中心控制系統(tǒng)發(fā)送15625 KHZ的脈沖信號，控制系統(tǒng)再對每個模塊的電壓進(jìn)行計算來實現(xiàn)的，在實際工作中均正常。

通過對雙功率模塊各種故障原因的分析，可以為發(fā)射機(jī)的日常維護(hù)工作，帶來極大的便利，有效的減少停劣播事故的發(fā)生，確保安全傳輸發(fā)射工作萬無一失。

［1］楊學(xué)有，董濤，等.TSW2500500kW短波發(fā)射機(jī)維護(hù)手冊[Z].

［2］張學(xué)田，等.廣播電視技術(shù)手冊:第六分冊—發(fā)射技術(shù)[Z].