3DX-50中波發(fā)射機(jī)整流硅橋國(guó)產(chǎn)化改造與升級(jí)

朱明明 段 晶

1.2.江蘇省廣播電視總臺(tái) 江蘇省 南京市 210000

引 言

江蘇省廣播電視總臺(tái)的廣播發(fā)射部在2014年完成遷建工作并投入使用，技術(shù)系統(tǒng)各項(xiàng)軟硬件配置為全國(guó)領(lǐng)先、世界一流。中波發(fā)射機(jī)大量使用美國(guó)生產(chǎn)的3DX-50發(fā)射機(jī)，這種發(fā)射機(jī)采用了新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)——3D（直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)）技術(shù)，3D技術(shù)的應(yīng)用省去了固態(tài)發(fā)射機(jī)的射頻前級(jí)放大器，減少了發(fā)射機(jī)的復(fù)雜性，提高了整機(jī)效率［1］。

由于使用了全新的3D技術(shù)，射頻功率模塊由高壓直流電源直接驅(qū)動(dòng)放大，所以高壓直流電源的穩(wěn)定性直接影響發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性和電聲指標(biāo)。為了保證發(fā)射機(jī)的安全高效，3DX-50發(fā)射機(jī)使用了兩組三相橋式半控整流硅橋來(lái)提供高壓直流電源。

1 原廠(chǎng)整流硅橋的缺點(diǎn)

由于長(zhǎng)時(shí)間工作在高電壓大電流的條件下，整流硅橋發(fā)熱量很大，經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行后，出現(xiàn)了大范圍整流硅橋二極管燒毀故障，對(duì)安全播出造成了嚴(yán)重的威脅。原廠(chǎng)采購(gòu)的整流硅橋價(jià)格昂貴，硅橋上的二極管平時(shí)檢修時(shí)很難目視檢查，損壞時(shí)更換也很不方便，需要把整流硅橋整體拆下來(lái)才能完成更換，這使得整流硅橋成為我臺(tái)一大安播隱患。為了提高發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并降低運(yùn)行成本，我們對(duì)整流硅橋進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造和升級(jí)，使其性能得到了提升，成本大大降低。

2 國(guó)產(chǎn)化改造和升級(jí)

3DX-50發(fā)射機(jī)整流硅橋的電路原理如圖1所示［2］，電路中的元器件主要包括二極管、晶閘管、壓敏電阻、溫度開(kāi)關(guān)，我國(guó)均有同類(lèi)型的成熟產(chǎn)品可供選用。整流硅橋的關(guān)鍵元器件是晶閘管（CR1、CR3、CR5）和二極管（CR2、CR4、CR6)。發(fā)射機(jī)的主控制器通過(guò)晶閘管來(lái)控制整流硅橋的通斷，而二極管是整流硅橋上最常損壞的器件，所以有必要詳細(xì)分析一下晶閘管和二極管的各項(xiàng)參數(shù)，以便于我們精準(zhǔn)選型，在日常的檢修中也能做到有的放矢。

圖1 整流硅橋電路圖

2.1 電子元器件參數(shù)計(jì)算與選型

根據(jù)圖1所示的整流硅橋的電路原理，可以計(jì)算出電路中的電壓和電流：

2.1.1電壓計(jì)算

圖1中，1A、2A、3A為三相Δ/Y型接法變壓器的次級(jí)，也就是整流電路的輸入。根據(jù)發(fā)射機(jī)電源柜取樣數(shù)據(jù)可知，三路輸入均為220V交流電壓。經(jīng)三相全波半控整流電路，輸出到負(fù)載端的電壓U為300V直流電壓。

2.1.2 電流計(jì)算

圖1中實(shí)際的負(fù)載為發(fā)射機(jī)的射頻系統(tǒng)，在不同的調(diào)制度下，開(kāi)通的功放模塊數(shù)量不同，電流也會(huì)不同。

由發(fā)射機(jī)調(diào)幅理論可知，發(fā)射機(jī)的瞬時(shí)最大功率Pmax=（1+m）2PT，式中PT為調(diào)幅波的載波功率，m為調(diào)幅度。由此可知，瞬時(shí)最大功率與（1+m）2成正比。由于功率與電流的平方成正比，因此，電流與（1+m）成正比。

我們給發(fā)射機(jī)加1KHz正弦波信號(hào)，然后逐漸提高調(diào)幅度，通過(guò)發(fā)射機(jī)顯示屏讀取電流值，所得結(jié)果如下：

100%調(diào)幅度時(shí)，總電流為277A

110%調(diào)幅度時(shí)，總電流為309A

3DX-50型發(fā)射機(jī)理論上允許的極限調(diào)幅度為140%，由上述分析可以推算，在極限調(diào)幅度下，負(fù)載端的總電流值約為353A，平均到每一個(gè)整流硅橋的電流為353/2=176.5A。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算晶閘管的參數(shù)要求。

2.1.3 晶閘管的額定電壓

由三相全波半控整流電路的原理分析可知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線(xiàn)電壓峰值

考慮一定的安全裕量，則額定電壓應(yīng)為

2.1.4 晶閘管的額定電流

晶閘管電流的有效值為

考慮一定的安全裕量，則額定電流應(yīng)為

二極管的額定電壓和額定電流與晶閘管一致［3］。我們根據(jù)原廠(chǎng)參數(shù)選擇相符的國(guó)產(chǎn)元器件來(lái)替代進(jìn)口元器件。

2.1.5 晶閘管選型

原裝的晶閘管為進(jìn)口元件，型號(hào)為ST180S12P0V，價(jià)格約1000元。參數(shù)如表1所示。

表1 晶閘管參數(shù)

按照上文計(jì)算的理論值，結(jié)合原裝晶閘管的參數(shù)，選擇國(guó)產(chǎn)某型號(hào)的晶閘管，該型號(hào)晶閘管參數(shù)如表2所示。

表2 晶閘管參數(shù)

對(duì)比原裝的晶閘管，該型號(hào)晶閘管具有更高的耐壓，能承受更大的電流，同時(shí)符合觸發(fā)電壓和電流，但是價(jià)格只需要幾十元。

2.1.6 二極管選型

原裝的二極管型號(hào)為JPEC300U120型，價(jià)格約為75元。最大電流300A，滿(mǎn)足額定電 流 （130A），最 大 電 壓1200V，略低于額定電壓的最大值（1616V），在實(shí)際使用中經(jīng)常出現(xiàn)損壞。我們更換為國(guó)產(chǎn)某型號(hào)的二極管，最大電流為400A，最大電壓為1600V，安全裕量更充足。

2.2 整流硅橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝

原廠(chǎng)整流硅橋的散熱器結(jié)構(gòu)較為緊湊，無(wú)法在發(fā)射機(jī)上直接拆卸損壞的二極管和晶閘管，需要把整流硅橋整體拆卸下來(lái)，非常的不方便。為此我們分析了國(guó)內(nèi)能采購(gòu)到的各種鋁散熱器，設(shè)計(jì)了全新的散熱結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)多次搭建、改進(jìn)，最終完成品重量更輕，可在發(fā)射機(jī)上直接更換損壞的元器件，散熱能力和體積與原裝產(chǎn)品在同一個(gè)水準(zhǔn)。

2.3 整流硅橋上機(jī)試驗(yàn)與批量生產(chǎn)

2018年我們搭建完成了第一版的整流硅橋（見(jiàn)圖2），在3DX-50發(fā)射機(jī)上使用后，驗(yàn)證了所有自選元器件的可行性。2019年5月搭建了第二版的整流硅橋（見(jiàn)圖3），經(jīng)過(guò)在3DX-50發(fā)射上長(zhǎng)期使用，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性。

圖2 第一版整流硅橋

圖3 第二版整流硅橋上機(jī)使用

為了保障慶祝新中國(guó)成立70周年相關(guān)活動(dòng)安全播出任務(wù)，我們批量制作了五個(gè)整流硅橋（見(jiàn)圖4），并先后更換下原廠(chǎng)整流硅橋，在發(fā)射機(jī)的運(yùn)行維護(hù)和安播保障中發(fā)揮了很大的作用。

圖4 第二版整流硅橋批量生產(chǎn)

3 本項(xiàng)目的成果和優(yōu)點(diǎn)

第二版整流硅橋批量生產(chǎn)后，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)兩年半時(shí)間運(yùn)行，在此期間，使用情況良好，未發(fā)生任何故障，穩(wěn)定性超過(guò)了預(yù)期，成果如下：

（1）最長(zhǎng)連續(xù)安全運(yùn)行已達(dá)30個(gè)月；

（2）已投入使用四個(gè)，作為備件兩個(gè)；

（3）為廣播發(fā)射部節(jié)約成本約15萬(wàn)元人民幣；

國(guó)產(chǎn)化的整流硅橋是針對(duì)原廠(chǎng)硅橋的缺點(diǎn)進(jìn)行的改造和升級(jí)，具有以下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）日常檢修時(shí)可以直接進(jìn)行目視檢查，有過(guò)熱或燒焦痕跡可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

（2）散熱器結(jié)構(gòu)更合理，二極管或晶閘管故障時(shí)可以直接拆卸并更換，不必拆卸散熱器。

（3）元器件價(jià)格便宜，極大降低了備品備件成本。

（4）產(chǎn)品的可靠性高，可以向兄弟單位推廣。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目的成功，我們開(kāi)拓了一個(gè)新的檢修思路，即使用國(guó)產(chǎn)材料和元件自行研制發(fā)射機(jī)組件替代進(jìn)口組件，這樣既可以針對(duì)原廠(chǎng)進(jìn)口組件的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，又可以節(jié)省大量的采購(gòu)成本，這種方法值得在今后的檢修工作中推而廣之。