淺談500kW短波發(fā)射機(jī)雙功率模塊技術(shù)特性

劉 瑋

（國(guó)家新聞出版廣電總局五九四臺(tái)，陜西 咸陽(yáng)712028）

0 引言

TSW2500型500kW短波發(fā)射機(jī)是目前世界上最先進(jìn)的短波發(fā)射機(jī)之一,PSM發(fā)射機(jī)的主要組成部分有：射頻級(jí)，脈階調(diào)制器（PSM），發(fā)射機(jī)控制部分，電機(jī)控制,電源和冷卻部分，相關(guān)的安全裝置用于保護(hù)工作人員的安全。射頻部分包括合成器、預(yù)放大級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)、末級(jí)。末級(jí)電源由脈階調(diào)制器（PSM）供給。射頻末級(jí)電源由PSM部分處理后供給，PSM控制部分根據(jù)選擇的調(diào)制模式進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，并監(jiān)控功率模塊。發(fā)射機(jī)控制部分是操作者或控制計(jì)算機(jī)和發(fā)射機(jī)之間直接的聯(lián)絡(luò)界面，它用于順序開(kāi)關(guān)發(fā)射機(jī)，并幫助操作者發(fā)現(xiàn)和排除故障。電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)選擇的頻率來(lái)定位各路調(diào)諧元件。所有MP電機(jī)和MS開(kāi)關(guān)可自動(dòng)或手動(dòng)操作。PSM調(diào)制器共由26塊可編程控制雙功率模塊組成，調(diào)制器控制電路全部采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和可編程邏輯器件(PLD)。雙功率模塊的控制單元應(yīng)用了微控制器和可編程邏輯器件，大大提高了發(fā)射機(jī)調(diào)制方式方面的自動(dòng)化控制程度和水準(zhǔn)，其調(diào)制模式可以在標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅雙邊帶，浮動(dòng)載波控制AM和高、低選擇的單邊帶，以及數(shù)字廣播(DRM)中任意切換。充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)和可編程邏輯器件的應(yīng)用給廣播發(fā)射機(jī)帶來(lái)的新技術(shù)革新。

1 功率模塊組成結(jié)構(gòu)

PSM功率模塊組采用26個(gè)雙功率模塊設(shè)計(jì)分為兩大類：公共部分包含了模塊所需的通用器件，如保險(xiǎn)F1,變壓器T11,電流互感器LEM,模塊阻流圈L24,接地開(kāi)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。

2 PSM調(diào)制的特性和功率模塊工作原理

PSM調(diào)制的工作特點(diǎn)和性能：如果某個(gè)功率模塊關(guān)斷，通路不會(huì)切斷，一個(gè)所謂的空轉(zhuǎn)二極管（FD）并聯(lián)到每個(gè)功率模塊，可以旁路所在模塊的電流。某個(gè)功率模塊故障通常會(huì)被忽略，因?yàn)檫@將僅僅在調(diào)制度大于96%時(shí)有影響。如果調(diào)制度如此高，唯一的影響是調(diào)幅被限制在96%。這種影響用耳聽(tīng)很難辨出，故障的功率模塊可在節(jié)目空隙時(shí)更換。如發(fā)射機(jī)不運(yùn)行滿載波功率，一個(gè)模塊故障根本不會(huì)產(chǎn)生影響。已經(jīng)提及，輸出功率由單獨(dú)合斷一定數(shù)量功率模塊產(chǎn)生。假設(shè)開(kāi)始時(shí)輸出電壓為零，那么在某個(gè)時(shí)刻第一個(gè)功率模塊被合上（它可以是52個(gè)功率模塊中的任一個(gè)），輸出電壓會(huì)增加到一個(gè)臺(tái)階電壓值。電流會(huì)流經(jīng)關(guān)斷模塊的空轉(zhuǎn)二極管，再經(jīng)低通濾波器到負(fù)載。如果再需要合上模塊，則輸出電壓會(huì)相應(yīng)增加，輸出電壓可通過(guò)改變合上模塊數(shù)量由零增加到載波電壓的2倍。脈階調(diào)制器根據(jù)輸入的音頻信號(hào)計(jì)算瞬時(shí)要求的功率模塊數(shù)。當(dāng)無(wú)音頻信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生射頻末級(jí)輸出載波功率需要的DC電壓；取決于所加的音頻信號(hào)，輸出電壓會(huì)在0至2倍DC載波電壓之間變化，瞬時(shí)合上的功率模塊數(shù)會(huì)在0值52之間變化。脈階調(diào)制器控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所有功率模塊以及它們的負(fù)載平衡情況。上面提到的方法顯然不能提供符合要求的精確理想的輸出電壓，產(chǎn)生的誤差必須補(bǔ)償，這點(diǎn)是通過(guò)在粗臺(tái)階調(diào)制中插入PDM補(bǔ)償。PDM脈沖幅度等于一個(gè)臺(tái)階電壓，脈沖寬度與瞬時(shí)誤差成比例。這些脈沖也是由用于粗調(diào)的功率模塊產(chǎn)生。由此產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率用低通濾波器濾除。在射頻末級(jí)屏極得到理想的無(wú)失真幅度調(diào)制包絡(luò)。

可編程控制雙功率模塊的基本原理見(jiàn)圖1，每塊雙功率模塊由對(duì)應(yīng)的PSM變壓器次級(jí)線圈中的一組供電，經(jīng)模塊上的3相全波整流后得到直流電壓（也可稱為6脈動(dòng)整流，對(duì)每個(gè)模塊來(lái)說(shuō)相當(dāng)于3相半波整流）。

模塊上的電源接通后，模塊上的電容開(kāi)始慢速充電，此時(shí)所有功率模塊上接觸器（K1）都處于釋放狀態(tài)，約30秒后K1吸合，電容開(kāi)始快速充電。模塊上的電源斷開(kāi)后，電容（C）通過(guò)電阻（R）安全地放電。

圖1 雙功率模塊原理

每個(gè)功率模塊使用一個(gè)IGBT（絕緣門雙極晶體管）作為開(kāi)關(guān)元件，配合簡(jiǎn)單的外部電路就可以實(shí)現(xiàn)快速地合、斷。IGBT控制單元（ZSE21）控制開(kāi)關(guān)元器件的合、斷并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括臺(tái)階電壓、功率模塊輔助電壓、開(kāi)關(guān)元件和功率模塊輸出電流等，如某個(gè)值超出允許值，控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)斷開(kāi)交流接觸器（K1）來(lái)關(guān)斷功率模塊，IGBT控制單元（ZSE21）通過(guò)光纖連接到PSM控制系統(tǒng)，這些光纖除傳輸控制信號(hào)（合、斷命令）外，也用于回傳信息，使TSM控制系統(tǒng)任何時(shí)候都能得到功率模塊的瞬時(shí)狀態(tài)信息。

3 功率模塊的軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

由于模塊使用了大容量的電容組，在高電壓直接充電時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流只能靠模塊上很小的電感分量來(lái)限制，在這種情況下保險(xiǎn)將不會(huì)起到保護(hù)模塊的作用，為避免充電時(shí)產(chǎn)生大的電流損壞設(shè)備，模塊采用了軟開(kāi)關(guān)電路見(jiàn)圖2，當(dāng)發(fā)射機(jī)處于STANDBY（待機(jī)）狀態(tài)時(shí)模塊通電，此時(shí)K1是斷開(kāi)的，整流二極管V8組成兩個(gè)單相半波整流電路，先由2個(gè)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(dòng)作。通過(guò)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(jí)沖擊電流過(guò)大，進(jìn)而損壞元件。采用軟開(kāi)關(guān)措施當(dāng)K1吸合時(shí)，充電電流被限制在400A以下。

充電回路：

●當(dāng)T相為正電壓時(shí)：

T 相—保險(xiǎn)（F6）—V8（1，2）—R21—電容 A，B，C，D—中線

●當(dāng)T相為負(fù)電壓時(shí)：

中線—電容 E，F(xiàn)，G，H—R22—V8（3，1）—保險(xiǎn)（F6）—T 相

圖2 軟開(kāi)關(guān)功能

4 功率模塊的開(kāi)關(guān)元件IGBT

IGBT組件可以使用東芝的MG150Q2YS40或西門子生產(chǎn)的BSM50GAL120D。這些半導(dǎo)體器件的額定電壓為1200V，額定電流為150A。在模塊上最大使用了定額值的60%，留出了充分的余量，保證了使用的安全性。機(jī)器上目前采用的是東芝的產(chǎn)品。2個(gè)IGBT、2個(gè)快速恢復(fù)二極管作為一個(gè)半波電路被集成在一個(gè)固態(tài)模塊中。一個(gè)IGBT作為開(kāi)關(guān)使用（它的二極管沒(méi)有使用），另一個(gè)IGBT的二極管作為空轉(zhuǎn)二極管來(lái)使用，也就是說(shuō)第二個(gè)IGBT沒(méi)有使用，在工作過(guò)程中一直處于關(guān)斷狀態(tài)。這樣設(shè)計(jì)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是大大減少了從開(kāi)關(guān)到空轉(zhuǎn)二極管之間的引線電感。從而防止了模塊頻繁開(kāi)關(guān)引起的寄生振蕩。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了4層印刷電路板，內(nèi)部連接更為簡(jiǎn)便，只有很少的電感成分，所以IGBT不需要安裝緩沖元件。這也進(jìn)一步減少了IGBT的損耗，并且確保它即使在短路的情況下也可以安全地關(guān)斷。IGBT由TSM控制系統(tǒng)靠光纖輸入A101進(jìn)行控制，控制信號(hào)由模塊控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)，且系統(tǒng)考慮了最小指令周期和最大開(kāi)關(guān)頻率以保護(hù)IGBT。

5 功率模塊的仿真測(cè)試

由于發(fā)射機(jī)長(zhǎng)時(shí)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(duì)于上述問(wèn)題，除保險(xiǎn)類故障外，我們無(wú)法準(zhǔn)確判斷出是那一部分的故障?？紤]到PSM模塊都是懸浮與高電位，在發(fā)射機(jī)上無(wú)法進(jìn)行測(cè)試，于是這里引入超級(jí)終端測(cè)試環(huán)境VT100（計(jì)算機(jī)）超級(jí)終端，用光纖短路光纖接口；屏幕的上方將會(huì)顯示模塊的各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)，模塊的控制部分通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)可得到多達(dá)15個(gè)物理量的模塊工作狀態(tài)信息，模擬信號(hào)有：5個(gè)模塊電壓，2個(gè)電流；數(shù)字信號(hào)有：溫度，保險(xiǎn)狀態(tài)，過(guò)/欠流，過(guò)/欠壓等等。

6 模塊模塊的技術(shù)特性

（1）該可編程控制雙功率模塊與DRM廣播兼容，不需做任何改動(dòng)。

（2）可編程雙功率模塊控制單元（ZSE21）采用微控制器（80C196KC）和可編程邏輯器件（EPM7160）相結(jié)合，具有高度智能化,通過(guò)多個(gè)采樣點(diǎn)提供的數(shù)據(jù)，對(duì)雙功率模塊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3）模塊控制單元設(shè)有RS232串行接口，串口通過(guò)DB25端子與外部設(shè)備進(jìn)行連接，通過(guò)該接口可對(duì)模塊進(jìn)行測(cè)試。

（4）模塊驅(qū)動(dòng)電路采用半橋電路雙通道驅(qū)動(dòng)電路顯著特點(diǎn)是具有保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路，不但能在正常工作狀態(tài)下給IGBT提供所需的驅(qū)動(dòng)功率，在異常工作狀態(tài)下能起保護(hù)IGBT防止短路的作用，并且能夠使得IGBT具有良好的可替換性。

（5）調(diào)制器控制的控制模塊開(kāi)關(guān)的指令，要經(jīng)過(guò)模塊自身控制系統(tǒng)對(duì)模塊狀態(tài)的進(jìn)行自檢后，才能決定是否執(zhí)行，有效的確保元器件的安全。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)TSW2500型500kW短波發(fā)射機(jī)PSM功率模塊的技術(shù)性能從其組成結(jié)構(gòu)和工作原理以及測(cè)試環(huán)境做了簡(jiǎn)單分析，在實(shí)際工作中影響PSM功率模塊技術(shù)性能指標(biāo)的因素很多，還需要加強(qiáng)維護(hù)設(shè)備。上述描述肯定又不全面的地方，在今后工作中還需要不斷的總結(jié)和分析。