PSM功率開關(guān)模塊控制原理分析

盧定燕

摘要：DF100A PSM發(fā)射機的調(diào)制級采用了50個完全相同的功率開關(guān)模塊。其中48個功率開關(guān)模塊為射頻末級提供屏壓，其余兩個功率開關(guān)模塊為射頻末級提供簾柵壓。每個功率開關(guān)模塊上都附有一個功率開關(guān)控制器板，用來控制保護(hù)管和開關(guān)管。PSM功率開關(guān)模塊是PSM短波發(fā)射機的重要組成部分之一，本文對DF100A發(fā)射機功率模塊的控制原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并結(jié)合原理對失步保護(hù)的過程進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：功率開關(guān)模塊 開關(guān)管 保護(hù)管 控制原理 同步原理 失步保護(hù)

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0011-02

1 功率開關(guān)模塊組成部分

功率開關(guān)模塊的主要由整流濾波電路、IGBT絕緣門雙級晶體管、空轉(zhuǎn)二極管和控制板五個部分組成。

（1）整流濾波電路由壓敏電阻和濾波電容組成，壓敏電阻的作用是暫態(tài)抑制，即當(dāng)外電壓異常增大的情況下，壓敏電阻迅速導(dǎo)通，通過壓敏電阻可保證穩(wěn)定的電壓輸出，其額定電壓為820V。

（2）濾波靠調(diào)制變壓器的漏感和兩只串聯(lián)的1500?F的濾波電容。

（3）IGBT絕緣門雙級晶體管的導(dǎo)通時間0.45μS，關(guān)斷時間1μS，由AC管和DC管兩部分組成。AC管也叫交流管或保護(hù)管，DC管也叫直流管或開關(guān)管。CR9、CR7正向保護(hù)，CR10、CR8反向保護(hù)。

（4）空轉(zhuǎn)二極管（CR11）是一個硅整流二極管。當(dāng)Q1導(dǎo)通時，輸出端E16、E17之間的電壓為700V左右，CR11承受反相偏壓而截止，電流正常的流向是E17到本極模塊整流二極管等到Q1到E16；當(dāng)Q1關(guān)斷時，CR11將形成正偏而導(dǎo)通，它與IGBT交替導(dǎo)通。

2 開關(guān)模塊控制原理

每個功率開關(guān)模塊上都有一塊控制板，控制板接受來自調(diào)制器控制器的循環(huán)調(diào)制器板經(jīng)光發(fā)射板的光纜控制信號，同時控制板經(jīng)光接收器板為調(diào)制器控制器的狀態(tài)板提供一個本級功率開關(guān)是否正常工作的狀態(tài)信號，由于功率開關(guān)模塊及控制板懸浮于高電位工作，調(diào)制器控制器應(yīng)進(jìn)行隔離，所以信號的轉(zhuǎn)移通過光纜進(jìn)行。

在外電正常的情況下，控制板控制保護(hù)管先合上，保護(hù)管合上以后，經(jīng)壓控振蕩器組成的檢測電路輸出本級開關(guān)的狀態(tài)信號，表示本級開關(guān)可以工作了，如果循環(huán)調(diào)制器傳來控制信號要求開關(guān)管合上，開關(guān)管正常的情況下，可以合上，經(jīng)同步電路的判斷使保護(hù)管一直保持合閘狀態(tài)，如果開關(guān)管有問題，經(jīng)同步電路的失步保護(hù)判斷可使保護(hù)管拉開；鎳阻絲的過流保護(hù)，瞬間可以使開關(guān)管拉開，如果控制光纜或光電管故障，經(jīng)失步保護(hù)補充電路，可使保護(hù)管拉開。

2.1 開關(guān)管（DC管）控制原理

開關(guān)管通斷受兩個方面的控制，一是由九單元送來的“開”、“關(guān)”光信號，二是由模塊上的過載檢測鎳絲檢測來的過流保護(hù)電路。

當(dāng)控制板上光接受管U8受光時，其輸出端1腳為低電平“0”，U11與非門的6腳為“0”，5腳固定為高電平，則4腳為“1”，12腳為“1”。

控制板23、24為過載檢測輸入端，并接在鎳阻絲的兩端，總阻值為0.025Ω與30A過載電流對應(yīng)，保護(hù)電壓為0.75，不過流時相當(dāng)于短路，光耦合器U14中發(fā)光二極管不發(fā)光，三極管截止，U14的5腳為高電平“1”，U10不被觸發(fā)，9腳輸出低電平“0”，U11的1、2腳也為“0”，輸出端3腳為“1”，U11的13腳為“1”。

因U11的12、13腳均為“1”，所以11腳為“0”，U12的5、7腳均為“1”，控制DC開關(guān)管導(dǎo)通。

根據(jù)上述控制開關(guān)管導(dǎo)通的過程，可以分析開關(guān)管關(guān)斷的控制過程，須注意由9單元送來的關(guān)斷DC管的信號促使DC管關(guān)斷是幾乎無延時的，而過流保護(hù)控制DC管關(guān)斷是有延時的，因為過流時光電耦合器5腳輸出低電平使定時器U10觸發(fā)輸出翻轉(zhuǎn)為高電平。

延時時間約為：T=1.1R24C26=517ms。

2.2 保護(hù)管控制原理

當(dāng)外電正常時，電壓檢測電路同相端的電平6V高于反相端電平5.1V，U2的輸出端7腳為高電平，正常時光耦合器U7中三極管不導(dǎo)電，處于截止?fàn)顟B(tài)，所以由與非門組成RS觸發(fā)器的置“1”端S得到高電平，由于加電時R端高電平的建立有延時，即起始時為0，所以RS觸發(fā)器的輸出端為0并保持，經(jīng)U5反相后變?yōu)椤?”，控制保護(hù)管（AC）導(dǎo)通。

開關(guān)管（DC）未合時，CR3反向偏置處于開路狀態(tài)，異或門U9的12、13腳因通過電阻接+12VB均為高電平，（異或門：輸入相同輸出為0），故輸出端11腳為低電平，這時因沒有要求開通DC管的信號，U8輸出“1”，U11的4腳輸出為“0”即U9的6腳為“0”，所以其4腳為“0”。

當(dāng)有一光信號要求本級DC管合上時，U8輸出為“0”，U11-4輸出為“1”（合上DC管），U9的6腳也為“1”。

因DC管已合上，700VDC輸出正常，P1-A26通過3×39K電阻接700VDC負(fù)端，經(jīng)700VDC正端與CR3形成回路，這時CR3導(dǎo)通，U9的12腳為低電平，13腳為+12VB的高電平不變，所以輸出端11腳“1”，U9的5腳也為“1”，即U9的5、6腳均為“1”， 4腳為“0”。

由此可見，在DC管的“開”、“關(guān)”過程中，U9的5、6腳均保持同時為高或低電平，即同步，在DC管沒有發(fā)生故障時U9的4腳為總是為“0”。

U9的1腳在光纜沒有故障時保持低電平，U9的2腳在同步時是低電平，從而使3腳為“0”，Q1截止，U7的二極管不發(fā)光，三極管不導(dǎo)通，U2輸出高電平，唯有這樣，R-S閂鎖電路的輸出為0，經(jīng)非門U5轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，才能促使保護(hù)管導(dǎo)通并維持它導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管有故障時，打破了同步條件，將失步保護(hù)。

失步保護(hù)是在開關(guān)管處于開路或擊穿短路的故障狀態(tài)時的保護(hù)。

當(dāng)DC管開路時，P1-26無負(fù)電壓而使CR3截止，U9的12、13腳均保持為高電平，其輸出端11腳保持為低電平不變，而這時的U9的6腳為合閘信號，是高電平，這將引起U9的4腳為高電平，U9的3腳也將輸出高電平而使Q1導(dǎo)通。從而拉開保護(hù)管，這表示一旦開關(guān)管開路，保護(hù)管就被拉開，本級PSM開關(guān)停用。

同理分析可知，當(dāng)DC管擊穿短路而長時間導(dǎo)通時，AC管也將被拉開，停用本級PSM開關(guān)。

從失步到拉開AC保護(hù)管須經(jīng)過U9的4腳輸出端的延時電路延時，這是個快充慢放的延時電路，延時時間為：

T=RC=1S，如果不考慮其放電，U9的4腳輸出高電平脈沖累計須達(dá)1S以上，U9的2腳才能達(dá)到高電平，從而控制拉開AC管。

3 狀態(tài)檢測電路

AC保護(hù)管導(dǎo)通后，將形成700VDC端經(jīng)R11、R12、R13到700VDC負(fù)端的回路，正常情況下，U3的3、4腳端電壓為U34=-3.7V，這個電壓與R12和C11共同決定壓控振蕩器。

U3的輸出信號頻率：fout=Vin/10R12C11

從而使DS1按37KHZ的矩形波電壓的規(guī)律發(fā)光，這表示對號的PSM開關(guān)保護(hù)管輸出700V電壓正常。

可以看出，這里37KHZ頻率是隨外電的變化而變化的，外電升高，開關(guān)模塊輸出的700V電壓升高，Vin升高，則37KHZ頻率升高，反之亦然。

4 失步保護(hù)補充電路（光信號檢測電路）

正常情況下，開機時C31剛開始充電應(yīng)為低電平，則U11-8為“0”，當(dāng)控制合閘的光信號傳來U11-9為高電平“1”，10腳為“1”，Q2導(dǎo)通，U9異或門輸出“0”，低電平觸發(fā)U10的6腳，U10 556的5腳輸出為“1”，經(jīng)U6非門為“0”，使U9-1為“0”，又因開機時同步電路控制U9-2為“0”，所以其輸出為“0”，Q1關(guān)斷，U7中的三極管也不導(dǎo)通，對保護(hù)管沒有影響，同時Q2飽和導(dǎo)通使U10 556的2腳為低電平使輸出狀態(tài)保持為高電平不變。

開機后，C31充滿電應(yīng)為高電平，則U11-8為“1”，U11-9為“1” U11-10為“0”，一路使U9的10腳為“1”，高電平給U10的6腳，另一路使Q2截止，C33被充電，T=1.1RC=110S后上升到8V以上，觸發(fā)U10的2腳（高電平觸發(fā)端），使其輸出5腳翻轉(zhuǎn)為“0”，傳給U9的1腳為高電平“1”，正常時無論DC管合上與否均為低電平“0”所以U9的輸出就為高電平“1”，R-S觸發(fā)器的置“1”端S為“0”，使U4的10腳為“1”，經(jīng)非門，拉開AC保護(hù)管（不過這時已延時了110S，所以加高壓后110S如果不加激勵（末級無柵流）調(diào)制器不工作，這時功率模塊將依次斷開，這時只有重新落高壓再加才能加上）。

開機后，若有一光信號要求合閘（這時在加高壓后的110S時間內(nèi)），則U11的9腳為“0”，10腳為”1“，U9的10腳為“0”使U10 556的5腳輸出為高電平，Q1關(guān)斷，AC處于合閘狀態(tài)不變。

在正常的工作狀態(tài)下，光接受器U8輸出正常的高電平開關(guān)信號，U11輸出正好與之相反——即低、高電平開關(guān)信號，高電平時Q2導(dǎo)通，C33放電，低電平時Q2截止，C33充電，所以C33處于交替的慢速充電和快速放電的循環(huán)過程中，只要正常工作，C33上的電壓就充不到8V以上的狀態(tài)，即是不可能使U10反轉(zhuǎn)而拉開AC管，只有當(dāng)光傳系統(tǒng)損壞或接受頭故障，使U8輸出保持在高電平，U11的10腳長時間處于低電平，Q2截止，100?F電容被充電，當(dāng)歷時110秒后，電容兩端電壓上升到8V以上，U10輸出才翻轉(zhuǎn)為低電平，經(jīng)非門U6后為高電平，導(dǎo)致失步保護(hù)電路動作，才使該級的A C管拉開，處于停用狀態(tài)，只有關(guān)機修理后才能工作。

因保護(hù)管輸出正常，開關(guān)管也沒有擊穿、開路現(xiàn)象，控制器認(rèn)為開關(guān)模塊工作正常，可以參加循環(huán)工作，但由于光纜問題，實際開關(guān)并沒有工作，這時將產(chǎn)生70/48=1.46KHZ的雜音，如果沒有失步保護(hù)補充電路，雜音將一直產(chǎn)生，有此電路在110秒以后雜音將消失。

5 結(jié)語

通過以上分析，可以看出PSM功率開關(guān)模塊原理并不復(fù)雜，但在實際使用過程處理故障時，往往需要理論上的分析和元件實際情況及機器運行狀態(tài)等多種因素相結(jié)合，而且要把理論知識靈活應(yīng)用，才能準(zhǔn)確、快速的對故障進(jìn)行處理，并維護(hù)好設(shè)備。