PSM功率模块

PSM功率模块（通用6篇）

PSM功率模块 篇1

1功率开关模块组成部分

功率开关模块的主要由整流滤波电路、IGBT绝缘门双级晶体管、空转二极管和控制板五个部分组成。

(1)整流滤波电路由压敏电阻和滤波电容组成,压敏电阻的作用是暂态抑制,即当外电压异常增大的情况下,压敏电阻迅速导通,通过压敏电阻可保证稳定的电压输出,其额定电压为820V。

(2)滤波靠调制变压器的漏感和两只串联的1500F的滤波电容。

(3)IGBT绝缘门双级晶体管的导通时间0.45μS,关断时间1μ S,由AC管和DC管两部分组成。AC管也叫交流管或保护管,DC管也叫直流管或开关管。CR9、CR7正向保护,CR10、CR8反向保护。

(4)空转二极管(CR11)是一个硅整流二极管。当Q1导通时,输出端E16、E17之间的电压为700V左右,CR11承受反相偏压而截止,电流正常的流向是E17到本极模块整流二极管等到Q1到E16;当Q1关断时,CR11将形成正偏而导通,它与IGBT交替导通。

2开关模块控制原理

每个功率开关模块上都有一块控制板,控制板接受来自调制器控制器的循环调制器板经光发射板的光缆控制信号,同时控制板经光接收器板为调制器控制器的状态板提供一个本级功率开关是否正常工作的状态信号,由于功率开关模块及控制板悬浮于高电位工作,调制器控制器应进行隔离,所以信号的转移通过光缆进行。

在外电正常的情况下,控制板控制保护管先合上,保护管合上以后,经压控振荡器组成的检测电路输出本级开关的状态信号,表示本级开关可以工作了,如果循环调制器传来控制信号要求开关管合上,开关管正常的情况下,可以合上,经同步电路的判断使保护管一直保持合闸状态,如果开关管有问题,经同步电路的失步保护判断可使保护管拉开;镍阻丝的过流保护,瞬间可以使开关管拉开,如果控制光缆或光电管故障,经失步保护补充电路,可使保护管拉开。

2.1开关管(DC管)控制原理

开关管通断受两个方面的控制,一是由九单元送来的“开”“、关” 光信号,二是由模块上的过载检测镍丝检测来的过流保护电路。

当控制板上光接受管U8受光时,其输出端1脚为低电平“0”,U11与非门的6脚为“0”,5脚固定为高电平,则4脚为“1”,12脚为“1”。

控制板23、24为过载检测输入端,并接在镍阻丝的两端,总阻值为0.025Ω与30A过载电流对应,保护电压为0.75,不过流时相当于短路,光耦合器U14中发光二极管不发光,三极管截止,U14的5脚为高电平“1”,U10不被触发,9脚输出低电平“0”,U11的1、2脚也为“0”, 输出端3脚为“1”,U11的13脚为“1”。

因U11的12、13脚均为“1”,所以11脚为“0”,U12的5、7脚均为 “1”,控制DC开关管导通。

根据上述控制开关管导通的过程,可以分析开关管关断的控制过程,须注意由9单元送来的关断DC管的信号促使DC管关断是几乎无延时的,而过流保护控制DC管关断是有延时的,因为过流时光电耦合器5脚输出低电平使定时器U10触发输出翻转为高电平。

延时时间约为:T=1.1R24C26=517ms。

2.2保护管控制原理

当外电正常时,电压检测电路同相端的电平6V高于反相端电平5.1V,U2的输出端7脚为高电平,正常时光耦合器U7中三极管不导电,处于截止状态,所以由与非门组成RS触发器的置“1”端S得到高电平,由于加电时R端高电平的建立有延时,即起始时为0,所以RS触发器的输出端为0并保持,经U5反相后变为“1”,控制保护管(AC) 导通。

开关管(DC)未合时,CR3反向偏置处于开路状态,异或门U9的12、13脚因通过电阻接+12VB均为高电平,(异或门:输入相同输出为0),故输出端11脚为低电平,这时因没有要求开通DC管的信号,U8输出“1”,U11的4脚输出为“0”即U9的6脚为“0”,所以其4脚为“0”。

当有一光信号要求本级DC管合上时,U8输出为“0”,U11-4输出为“1”(合上DC管),U9的6脚也为“1”。

因DC管已合上,700VDC输出正常,P1-A26通过3×39K电阻接700VDC负端,经700VDC正端与CR3形成回路,这时CR3导通, U9的12脚为低电平,13脚为+12VB的高电平不变,所以输出端11脚 “1”,U9的5脚也为“1”,即U9的5、6脚均为“1”, 4脚为“0”。

由此可见,在DC管的“开”“、关”过程中,U9的5、6脚均保持同时为高或低电平,即同步,在DC管没有发生故障时U9的4脚为总是为 “0”。

U9的1脚在光缆没有故障时保持低电平,U9的2脚在同步时是低电平,从而使3脚为“0”,Q1截止,U7的二极管不发光,三极管不导通,U2输出高电平,唯有这样,R-S闩锁电路的输出为0,经非门U5转变为高电平,才能促使保护管导通并维持它导通。当开关管有故障时,打破了同步条件,将失步保护。

失步保护是在开关管处于开路或击穿短路的故障状态时的保护。

当DC管开路时,P1-26无负电压而使CR3截止,U9的12、13脚均保持为高电平,其输出端11脚保持为低电平不变,而这时的U9的6脚为合闸信号,是高电平,这将引起U9的4脚为高电平,U9的3脚也将输出高电平而使Q1导通。从而拉开保护管,这表示一旦开关管开路,保护管就被拉开,本级PSM开关停用。

同理分析可知,当DC管击穿短路而长时间导通时,AC管也将被拉开,停用本级PSM开关。

从失步到拉开AC保护管须经过U9的4脚输出端的延时电路延时,这是个快充慢放的延时电路,延时时间为:

T=RC=1S,如果不考虑其放电,U9的4脚输出高电平脉冲累计须达1S以上,U9的2脚才能达到高电平,从而控制拉开AC管。

3状态检测电路

AC保护管导通后,将形成700VDC端经R11、R12、R13到700VDC负端的回路,正常情况下,U3的3、4脚端电压为U34=-3.7V, 这个电压与R12和C11共同决定压控振荡器。

U3的输出信号频率:fout=Vin/10R12C11

从而使DS1按37KHZ的矩形波电压的规律发光,这表示对号的PSM开关保护管输出700V电压正常。

可以看出,这里37KHZ频率是随外电的变化而变化的,外电升高,开关模块输出的700V电压升高,Vin升高,则37KHZ频率升高,反之亦然。

4失步保护补充电路(光信号检测电路)

正常情况下,开机时C31刚开始充电应为低电平,则U11-8为“0”, 当控制合闸的光信号传来U11-9为高电平“1”,10脚为“1”,Q2导通, U9异或门输出“0”,低电平触发U10的6脚,U10 556的5脚输出为“1”, 经U6非门为“0”,使U9-1为“0”,又因开机时同步电路控制U9-2为“0”, 所以其输出为“0”,Q1关断,U7中的三极管也不导通,对保护管没有影响,同时Q2饱和导通使U10 556的2脚为低电平使输出状态保持为高电平不变。

开机后,C31充满电应为高电平,则U11-8为“1”,U11-9为“1” U11-10为“0”,一路使U9的10脚为“1”,高电平给U10的6脚,另一路使Q2截止,C33被充电,T=1.1RC=110S后上升到8V以上,触发U10的2脚(高电平触发端),使其输出5脚翻转为“0”,传给U9的1脚为高电平 “1”,正常时无论DC管合上与否均为低电平“0”所以U9的输出就为高电平“1”,R-S触发器的置“1”端S为“0”,使U4的10脚为“1”,经非门,拉开AC保护管(不过这时已延时了110S,所以加高压后110S如果不加激励(末级无栅流)调制器不工作,这时功率模块将依次断开,这时只有重新落高压再加才能加上)。

开机后,若有一光信号要求合闸(这时在加高压后的110S时间内),则U11的9脚为“0”,10脚为”1“,U9的10脚为“0”使U10 556的5脚输出为高电平,Q1关断,AC处于合闸状态不变。

在正常的工作状态下,光接受器U8输出正常的高电平开关信号,U11输出正好与之相反——即低、高电平开关信号,高电平时Q2导通,C33放电,低电平时Q2截止,C33充电,所以C33处于交替的慢速充电和快速放电的循环过程中,只要正常工作,C33上的电压就充不到8V以上的状态,即是不可能使U10反转而拉开AC管,只有当光传系统损坏或接受头故障,使U8输出保持在高电平,U11的10脚长时间处于低电平,Q2截止,100F电容被充电,当历时110秒后,电容两端电压上升到8V以上,U10输出才翻转为低电平,经非门U6后为高电平,导致失步保护电路动作,才使该级的A C管拉开,处于停用状态, 只有关机修理后才能工作。

因保护管输出正常,开关管也没有击穿、开路现象,控制器认为开关模块工作正常,可以参加循环工作,但由于光缆问题,实际开关并没有工作,这时将产生70/48=1.46KHZ的杂音,如果没有失步保护补充电路,杂音将一直产生,有此电路在110秒以后杂音将消失。

5结语

通过以上分析,可以看出PSM功率开关模块原理并不复杂,但在实际使用过程处理故障时,往往需要理论上的分析和元件实际情况及机器运行状态等多种因素相结合,而且要把理论知识灵活应用,才能准确、快速的对故障进行处理,并维护好设备。

摘要：DF100A PSM发射机的调制级采用了50个完全相同的功率开关模块。其中48个功率开关模块为射频末级提供屏压,其余两个功率开关模块为射频末级提供帘栅压。每个功率开关模块上都附有一个功率开关控制器板,用来控制保护管和开关管。PSM功率开关模块是PSM短波发射机的重要组成部分之一,本文对DF100A发射机功率模块的控制原理进行了详细分析,并结合原理对失步保护的过程进行了说明。

关键词：功率开关模块,开关管,保护管,控制原理,同步原理,失步保护

PSM功率模块 篇2

1 功率开关模块影响杂音指标的典型故障分析

PSM短波发射机射频系统调制音频信号幅度, 是由循环通断的48块功率开关模块来实现。发射机运行中, 由于变压器漏感、功率开关模块循环导通拉、合产生的分频引起的杂音, 以及光缆故障、模块输出电压、IGBT的开关管或保护管击穿等产生的杂音, 都将影响发射机杂音指标, 影响发射机播出质量和效果。以下就此类典型故障进行分析论述。

1.1 功率开关模块合、断引起的杂音

故障现象:发射机指标测试, 杂音为-32db, 监听发现有明显低频啸叫声, 音频分析仪测试分析有频率为1.46k Hz的杂音。发射机杂音指标不入级。

故障原因分析:根据现象加高压试验, 观察开关状态指示灯48路指示灯均亮, 48组功率模块DC指示灯均亮, 功率模块处于工作状态, 没有发现异常。做加高压, 升功率、降功率试验, 加高压, 功率降到0, 此时功率模块应该都不工作, 即功率模块DC灯不应有亮的, 否则说明功率模块有问题。同理升功率后查有功率模块不亮的, 说明功率模块有不工作的。

故障处理:加高压后把功率降到0, 如发现某功率模块DC灯总亮, 而且特别亮, 对应开关状态指示灯也亮;则是该模块有问题, 如拆下测试为正常, 仍然复用上机。因该模块DC灯总亮, 用示波器测试对应的光发射电路, 如果输出不是脉冲信号, 再查前面的环形调制器电路。如果测量此功率模块对应的环形调制器电路的JK触发器输出Q为脉冲, 波形正常。则应检查它的“与门”输人4脚, 应为高电平“H”。如果5脚和6脚都为“H”, 则应检查此芯片是否松动, 用手按下后测量其输入5脚、输出6脚均为脉冲。如果芯片松动输人5脚处于悬空状态, 总为高电平“H”, 其输出因此也总为“H”而不是脉冲。开关管 (DC管) 由于开关拉合信号不正常始终为高电平导致开关管一直开通, 环型调制器却依据模块开关状态信号正常循环工作。此外, 由于失步保护电路的失灵等原因, 无法封锁保护管 (AC管) , 也就无法及时封锁或纠正控制信号异常。开关管将模块三相整流电压直接输出, 其输出瞬时电压即为平均电压, 从而使DC灯总亮而且特别亮。模块工作于这种状态, 在合成主电压时就会呈现周期性的偏高, 运行中必然产生较大的杂音。假设此功率模块输出直流电压为600V, 主整电压为10k V, 则杂音为:20lg (600/10000) =-24.4db。

综述以上分析, 开关状态指示灯亮的原因, 功率开关模块保护管 (AC管) 在合工作状态, 功率模块就有反映其工作状态正常的37k Hz脉冲, 所以开关状态板上该指示灯始终处于亮的状态, 结果误导了功率模块始终处于正常状态。

1.2 信号传输光缆故障导致的杂音

故障现象:发射机在测试指标时杂音电平为-35db, 杂音频率为1.46k Hz。发射机加高压, 开关状态板48路指示灯均亮, 没有发现异常现象。但是1.46k Hz的杂音频率, 则说明某功率模块工作状态不正常;仔细观察48块功率模块的DC灯, 发现A号模块DC灯不亮。拔掉该模块控制小板, 测量杂音指标为-56db, 由此可见系该功率模块影响了杂音指标。

故障原因分析:首先, 用相邻的C号 (带光发射电路) 的功率开关控制板来控制A号功率模块为正常;其次, 用A号 (带光发射电路) 功率开关控制器控制C号功率模块, 测试C号DC灯也不亮。则说明A号功率模块本身没问题, 故障可能在此功率开关控制小板或者拉、合控制信号线路不正常。

故障处理:更换A号功率开关控制器, 故障现象依旧。用示波器测试它对应的光发射电路波形, 波形正常。拔插A号功率模块控制小板光缆B, 发现光接收头处光缆明显变形, 拔下A号功率开关模块光缆B两端, 一端用手电光照, 观察另一端的发光情况, 发现光线与正常的相比明显偏暗。重新作光缆头后测试杂音指标为-58db。

通过上述分析, 故障原因是“合、拉”指令的光信号通过光缆传送至功率开关控制器上的光接收头接触不良, 接收到的开关信号弱, 导致了模块的开关性能发生变化, 功率模块输出电压比正常低。而功率模块工作频率为1.46k Hz, 在合成直流主整电压中就含1.46k Hz的杂波, 所以载波上就会出现1.46k Hz的杂音波形。从光纤通信可知, 任何光纤弯曲半径过小, 就会影响光功率的传输。此外, 当光缆B传输出现问题, 功率开关控制板提供给状态板指示AC管运行正常, 开关管 (DC管) 由于光接收管或光发射管未开通或光缆连接不良等造成开关管未开通, 但PSM环型调制器却根据状态电压正常信号, 使功率模块仍然循环工作。这样就相当于有一块输出电压为零的功率模块在循环, 造成开关管控制信号缺位, 运行中必然产生较大的杂音。

1.3 功率开关模块输出电压导致的杂音

故障现象:某发射机测试杂音电平为-4 8 d b, 用音频分析仪可见含杂音频率为1.46k Hz杂音。从开关状态指示灯看, 48路指示灯均亮, 但1.46k Hz的频率出现说明功率模块中存在工作状态不正常的模块。

故障原因分析:加高压, 查看48路功率模块DC指示灯虽然都是亮的, 但其中有一块模块的DC指示灯很暗, 疑是工作状态不正常, 拔掉该功率开关控制器使其不工作, 测杂音为-58db, 说明此功率模块工作状态有问题。原因有两类: (1) 开关工作指令不正常; (2) 模块本身有问题。

故障处理:采用互换法, 将该 (带光发射电路) 功率开关控制器来控制相邻正常工作的功率模块, 杂音消失立刻恢复正常;说明该功率模块的开关工作指令正常。

在查找故障原因时发现, 该模块交流供电的A相20A保险管开路, 给功率开关控制器供电是B、C相, 故功率开关控制器检测不出该功率模块有故障, 只是模块输出电压因缺相而降低, 但又没有低于开关状态板电压检测所认定的模块输出电压异常值。因此, 环型调制器依据状态电压正常信号使该功率模块循环工作, 既环路中有一块输出电压很低模块在循环工作。造成了48级功率模块输出电压主整合成时就含此模块的开关频率1.46k Hz。载波就呈现频率为1.46k Hz周期性波形。由于此模块整流器输出电压偏低, 导致DC指示灯发暗。

1.4 IGBT的AC和DC管击穿导致的杂音

故障现象:测试某发射机杂音指标为-30db, 载波波形杂音频率为1.46k Hz;用音频分析仪测得频率为1k Hz, 发射机开关状态板48组指示灯均亮。

故障原因分析:加高压查看48组功率模块D C指示灯均亮, 功率模块都处于工作, 观察不到异常, 但1.46k Hz说明功率模块仍有工作状态不正常的。正常时发射机加高压后按下封锁键, 48组功率模块均应不工作, DC灯不亮, 否则说明功率模块存在问题;如果末级屏压有表值则也说明仍有功率模块在工作。从表头电压的数值大小可以计算出几组模块工作 (每一组模块输出为600V左右) 。仔细观察发现有1块模块DC灯特别亮, 落高压测量该模块IGBT的AC和DC管, 都已击穿短路。

故障处理:更换IGBT后重测杂音指标为-59db, 显然故障是IGBT的AC和DC管击穿引起的杂音。

功率开关模块IGBT的AC管击穿后, 通过该功率开关控制板提供给状态板指示为该功率开关模块电压正常;而DC管击穿导致回路处于通状态;环型调制器依据状态板判断, 仍以为该模块电压正常参于循环。但在合成主电压时, 就呈现周期性的偏高, 这样必然在运行中产生较大的杂音。

2 经验与体会

通过以上对PSM发射机功率开关板故障所导致发射机杂音指标下降的原因分析和处理, 使我们感到:PSM功率开关模块出现故障或工作状态异常都将引起发射机杂音指标的降低。因此, 在发射机日常运维中, 不能简单的只凭状态指示灯亮和灭判断功率模块工作正常与否, 它只不过是功率开关模块正常工作的一个必要条件, 长亮不闪烁、亮度显暗淡, 发光程度, 也能反映出模块的工作状态。当然, 功率开关模块工作状态发生变化, 不一定就是它本身问题, 还要考虑与调制系统有关光缆, 光、电信号;如发射机没有110s失步保护电路光缆B接触不良或相关的光电电路异常, 保护管也不会被拉开保护。

通常载波状态下模块开通的个数为20级, 就是说功率开关模块在100%调幅时只需要40级模块在工作, 还有8个功率开关模块作为备用模块。查找杂音源, 最简单快捷有效的方法是排除法, 拔掉一个功率开关控制器使其控制的功率模块不工作, 所影响的杂音是1~2 d b。若分析杂音频率为3k Hz左右, 则可以以2个功率模块工作不正常 (1.46k Hz×2=2.92k Hz) 计算。

不同型号的IGBT饱和压降是不一样, 在同等条件下测试, 其输出饱和压降差最大可达20V。因此, 在维修更换功率开关模块I G B T时, 最好使用和原机同型号的IGBT。才能确保模块不至于因为IGBT的饱和压降不同而导致输出电压不同。

3 结语

综上, 对影响发射机杂音指标的功率开关模块典型故障实例分析, 以及对故障原因分析、故障排查、故障处理过程的总结, 提出了与同行共同思考的建议和看法, 希望能对此类发射机运维有所帮助。由于水平有限, 存在不足之处, 请指正。

参考文献

[1]国家广电总局科技司.广播发射机新技术实用手册[M].北京:中国广播电视出版集团, 2010.

[2]国家新闻出版广电总局无线电台管理局.SW100-A/B型100kw短波发射机[M].北京:中国书籍出版社, 20011.

[3]黄晓滨.TBH-522型150KW短波发射机维护手册[M].北京:中国书籍出版社, 2011.

PSM功率模块 篇3

关键词：双功率模块,PSM调制,广播发射,TSW2500

PSM调制技术即是脉冲阶梯调制技术,是于上世纪80年代开始投入应用的一种产生音频调制信号的新方法。与早期传统的脉冲宽度调制式发射机相比,其最大特点就是引入了数字处理技术,将模拟音频信号转换为一种由多个独立的功率单元相互叠加而产生的阶梯波形。在结构组成上,它将原有的高压整流单元和调制单元合并成为一个整体,即PSM单元,为发射机提供形成载波的直流电压和形成音频信号的调制电压。可编程双功率模块是整个PSM系统的基础、核心。

1 TSW2500型500kW短波广播发射机中的PSM调制

TSW2500型500kW短波发射机是由瑞士THALES公司生产的一种应用广泛的大功率短波广播发射机,其所采用的调制手段即是PSM技术:应用两台均有13个次级绕组的PSM变压器,将由市电网输送的3相10KV高压电转变为共26组三相877V电压,为对应的26个双功率模块提供输入电压,并经模块整流稳压后形成52个工作稳定且可以独立合、断的直流电压源,所有的模块被串联在一起,其中的开关元件受发射机内部相应的运算处理单元的控制,通过合、断两种状态,来选择或是将该模块输出的直流电压串接入链路当中,或是只通过模块当中的空转二极管行成电流通路。最终所有被合上的模块电压将叠加在一起,通过滤波仪器后加载在发射机电子管的调制极上,为广播发射提供所需要的载波和音频能量。

PSM部分的原理图如图1所示:

2 可编程控制双功率模块在TSW2500型发射机中的应用

由上段文字中的介绍可知,PSM调制模式的最大优势就是将功率部分化整为零,然后对其进行数字化处理,而使得这一做法得以实现的核心和基本部件就是26个可编程可控制的双功率模块,这些功率模块即是为发射机提供载波功率和调制功率的基本单元,简单来说它们可以提供稳定的电压,并且可以根据实际需要,在极短的时间内选择是否将这部分电压加载至发射机大功率电子管的调制极。任意时刻,根据被合、断模块数量的不同,整个PSM单元可以为发射机提供0～2倍纯载波工作时的电压量。但需要指出的是,由于单纯依靠26个双电压源,也就是52个电压源的合断,最终形成的叠加后的电压波形将是一个以单个电压源电压US为等级的粗阶梯式波形,这显然与实际应用中过渡平滑的音频信号曲线还有较大差距。因此,功率模块还通过引入一定量的脉冲信号来补偿粗台阶调制电压与实际音频信号之间的误差,该脉冲信号的幅度与一个阶梯电压US相同,脉冲宽度则与瞬时误差量成比例。这样,粗的台阶电压加上补偿的脉冲信号,就将产生出我们所需要的平滑的音频曲线。

3 可编程双功率模块的组成结构和基本原理

TSW2500型500k W短波广播发射机中所使用双功率模块的组成结构如图22所示所示::

3.1 组成结构

电容组、二极管整流桥、IGBT开关元件、阻流圈、保险保护系统、电流互感器、热保护开关和控制系统(包括:PSM控制系统光纤接口、模块数据处理、智能IGBT驱动、安全监控、软开关控制功能)。

3.2 工作原理

每个模块都由P S M变压器的一只次级线圈进行供电,首先经过模块当中的二极管整流桥,将变压器输送的交流电压转变为工作需要的稳定直流电压,为电容组进行充电。这里需要说明的是,为了保护相关元器件不会因为电压的迅速升高而受损,充电过程将分两步进行:首先,接通整个桥式电路的开关继电器K1处于断开状态,三相电源中只有一相火线通过两只二极管为电容组进行缓慢充电,这一过程约持续3 0s,当电容电压达到一个额定值后,继电器K1吸合,六相桥式电路接通,三相电源全部工作,模块快速充电,达到额定值后充电结束,进入工作状态,之后通过光纤连接,受发射机控制系统控制和监测,模块内部的IG B T开关电路将根据发射机载波和音频节目的实际需要实现快速的合、断。并且,模块的状态也会回传给发射机进行实时显示,并受到安全监测单元的监测,如果发现有过压、过流或温度过高等现象,就会立即关断相关模块。最后,当工作结束,关断电源后,模块将通过一组二极管和一只限流电阻进行放电。

4 实际应用中的维护经验

双功率模块自投入使用以来,很快便以其特定的优势得到了使用方的普遍认可,在全国各个大功率短波发射台站被广泛应用,并且就很多台站将近十年的使用情况来看,它也确实表现出了性能稳定、可靠性高、方便灵活、利于维护等等一系列的优势,但尽管如此,作为一件技术设备,或者因为工作环境所限,或者因为自身老化,它也同时存在着一些问题,在日常的使用维护中需要不断的去解决,下面,笔者就将自己在实际工作中所遇到的一些常见的问题以及处理经验和大家做以分享交流:

4.1 保险故障

(1)故障现象

模块在正常使用中,显示状态正常的指示灯突然熄灭,发射机提示相应模块故障。经检查发现是模块缓慢充电回路的1A保险闪爆,致使回路断开因此故障。

(2)故障分析

充电回路保险闪爆可能的原因通常是电源瞬间产生了较大波动,致使流经保险的电流超过额定值使得保险损坏,此外,也可能是整个充电回路上存在元器件因故障或老化导致电阻阻值降低、电容容量变小、或非正常接地等现象。

(3)处理措施

首先检查回路中的元器件,如有老化或损毁者,则进行更换,确保整个线路正常后,更换损坏保险。

4.2 电容组故障

(1)故障现象

模块在正常使用中,突然发出爆鸣声响,同时显示状态指示灯突然熄灭,发射机提示相应模块故障。经查发现是电容组电容爆炸,致使模块损坏。

(2)故障分析

由八个电容组成的电容组是为模块提供稳定电压的核心元件,每个电容均有其额定容量和耐压标准,如果电容因老化或损坏导致容量变小并致使耐压能力降低,那么在正常使用的过程中就有可能发生因击穿而产生的爆炸。

(3)处理方法

电容应定期进行更换,避免因老化导致的相关故障。

4.3 温度过高

(1)故障现象

模块在正常使用中,显示状态正常的指示等突然熄灭,发射机提示相应模块故障。经查发现该模块温度过高,致使温度保护开关跳开,模块被关断。

(2)故障分析

模块正常工作应在一定的温度范围内,过高的温度会导致电容、电阻等元件的指标发生重大偏差。所以每个模块都设有一个温控开关,一般的门限值设定在80℃,如果模块温度超过此限制,开关就会自动跳开。而导致此状况发生的最重要原因通常都是冷却水通路发生堵塞,致使冷却水循环不畅从而导致模块工作产生的过多热量无法及时耗散。

(3)处理方法

定期检查冷却水的水质,保证水导值始终处在正常范围内,如发现管道内有结石堵塞的现象应在发射机不工作的情况下关断循环水泵,进行疏通。

4.4 光纤故障

故障现象:模块在正常使用中,显示状态正常的指示灯突然熄灭,发射机提示相应模块故障。经查为光纤接口松动,致使与发射机控制系统通讯中断,显示其故障。

(1)故障分析

功率模块作为一个相对独立的电压源,他与发射机控制系统是通过两根光纤组成一个闭合通路,如果光纤一旦因接头松动或内部断裂导致线路中断,则相应模块将无法接收到发射机的控制指令,也无法将自身状态输送给发射机进行显示。

(2)处理方法

再确认故障模块没有任何其他元器件故障的情况下通常可判断为是通讯故障,一般只要可重新插拔光纤插头即可,若发现光纤有较严重受损情况,则应进行更换。

5. 结论

可编程可控制双功率模块采用了数字处理技术,将传统发射机的调制部分化整为零,通过与发射机控制系统地通讯连接可以实现按照指令要求进行快速的功率开关,并将自身状态通过发射机的相关系统进行显示。其组成结构划分清晰,各部分均设有以供测试的监测点。在特定的环境中,只要按照实际需要做好检修及维护工作,就可以可靠稳定的完成多种功率模式下的工作任务!

PSM功率模块 篇4

传统的数字功率放大器,都是基于PWM调制技术,在大功率功放输出时,功放电路中的储能电容比较大,开关瞬间MOS管内部电流较大,易造成MOS管的损毁,虽然实际电路中会引用过流、过压保护,但不可避免地会使功放电路停止工作[1]。

基于PSM技术的数字功放系统具有电路拓扑简单,容易获得高电压大功率的特点[2]。PSM系统核心电路由多个开关电源模块级联构成,开关电源模块由开关电源、开关功率管和续流二极管组成。系统中的每一个模块功率管和续流二极管都只承受本电源模块的电压值,并不会承受更多的电压,所以与最终级联输出的电压无关,从而保证了整个系统的安全性,不需要高频升压器件的参与。

因此,研究宽带大功率数字功放显得尤为重要。文章提出了PSM功放主电路结构,基于FPGA对PSM算法进行实现,并通过仿真验证了正确性。

1 主电路结构及改进算法

PSM功放主电路如图1所示。主电路一共包含8路直流功率模块。各个模块主要由直流电压源、MOS管以及续流二极管组成,且各路直流电源需要相互隔离不共地。PSM功率放大器采用叠加各个功率模块的输出方式实现对信号的放大,叠加后的信号为正向,因此需要经过全桥逆变对正向信号进行时域上的翻转,实现功率放大信号的正负输出。

PSM脉冲阶梯调制是把SM阶梯调制和PWM脉冲宽度调制相结合起来的一种调制技术。其最早由瑞士的W.Schminke提出[3,4]。其工作原理为:根据算法要求将输入电压U与每个直流功率模块的电压Us作除法,得到此时需要叠加的功率模块数量N.d。其中,N为整数,代表需要开启的工作在SM模式的功率模块个数。d为小数,为SM调制波形与原波形的误差,需要一个功率模块工作在PWM调制方式。PSM的输出波形即为在SM调制输出波形基础上叠加PWM输出波形[5]。

由于各个直流功率模块的开断时间并不相同,各个模块之间工作时间相差很大,长时间工作的模块会出现发热严重的现象,所以,需要在PSM算法中加入功率模块的状态循环功能。其示意图如图2。

为了减小输出波形的THD,减小功放EMI,提高其输出质量,文章对PSM算法作进一步改进。PSM算法的精髓就是用SM来粗略构筑波形大部分面积,边缘细节则是使用PWM来填补,通常PWM的工作频率要比SM高出很多,会对周围产生很大的电磁影响。从而又将现有算法中的PWM控制信号进行进一步的细分,分解为2路SM和1路PWM。将48V的PWM分解为两路16V的SM和一路16V的PWM。例如当前PWM占空比为0.6,则通过计算0.6*3=1+0.8,则原来占空比为0.6的信号分解为0.8×48V=1×16V+0×16V+0.8×16V。

2 仿真验证

根据上文所述的算法原理,用Modelsim对Verilog HDL程序进行仿真验证,仿真时,采用正弦波为输入波形。同时用MATLAB对改进算法进行仿真验证。图3所示结果验证了本设计的可行性。

THD测试中,改进前与改进后输出波形THD仿真结果如表1、表2:

参考文献

[1]王武斌.开关功率放大器的数字控制技术研究[D].浙江大学,2006.

[2]杜少武,杨钰辉.基于PSM技术的高压开关电源研究[J].电工电能新技术,2006,25(3):18-20.

[3]Alex J,Schminke W.A high voltage power supply for negative ion NBI based on PSM technology[C]//Fusion Engineering,1997.17th IEEE/NPSS Symposium.IEEE,1997,2:1063-1066.

[4]Alex J,Schminke W.Fast switching,modular high-voltage DC/AC-power supplies for RF-amplifiers and other applications[C]//Fusion Engineering,1995.SOFE'95.Seeking a New Energy Era.,16th IEEE/NPSS Symposium.IEEE,1995,2:936-939.

PSM功率模块 篇5

TSW2500型500KW短波发射机PSM核心组称IGBT控制模块ZSE21对PSM发射机功率部分有着致关重要的作用 , 它不仅负责PSM部分的正常工作还对发射机的实际工作状态有着数据采集和监测控制的重要作用。下面就着重介绍控制模块ZSE21在发射机工作链路中的重要作用。

1 IGBT 控制模块硬件描述

1.1 硬件接口

1.1.1 电源

电源采用一个带中心抽头的48V交流电源, 由功率模块板上的变压器T11提供, T11的初级取自模块三相电源的两相 (线电压877V) 。变压器的次级通过X11端子连接到控制板上。V24-1 (48V交流电源的一端) ;GND (中心抽头) ;V24-2 (48V交流电源的另一端) 。

1.1.2 电压电流测量输入信号

功率模块对以下电压进行监测, 输入端子分别为:X1-VB, X2-VB, X3-VD, X4-VD。VB-A2 (正电容电压0~+800V) ;VB-B2 (负电容电压0~-800V) ;VD-A2 (正功率模块电压0~800V) ;VD-B2 (正功率模块电压0~800V) 。使用一个LEM电流互感器进行电流测量, LEM输入端子为:X13, 其中包括LEM使用的±15V电源。 +15V (LEM正电源电压) ;I-LEM (电流互感器LEM的二次测输出电流) ;-15V (LEM负电源电压) 。

1.1.3 监测输入信号

监测保险开关和温度开关的输入信号, 使用的端子:X13。这两个信号都采用了二极管进行限幅, 范围是:0—5V。TEMP-IN温度开关输入, 内部连接上拉电阻到VCC;FUSE-IN保险开关监测输入, 内部连接上拉电阻到VCC。

1.1.4 IGBT 控制信号

分别完成对两个IGBT的驱动控制, 端子号为:X212和X222。A21-G1 (IGBT A21的门极驱动) ;A21-E1 (IGBT A21辅助发射极) ;A22-G2 (IGBT A22的门极驱动) ;A22-E2 (IGBT A22辅助发射极) 。

1.1.5 接触器控制

通过对接触器的控制, 系统实现了软开关功能, 接触器的控制线通过端子X13送到接触器线包:V24-1-K1接触器K1的控制线, 接触器线包的 控制电压 通过控制 板上的继 电器K121的常开接 点接到V24-1上 ;V24-1-K2接触器K2的控制线 , 接触器线包的控制电压通过控制板上的继电器K122的常开接点接到V24-1上;V24-2接到两个接触器K1、K2线包的另一端 (线包电压为48V) 。

1.1.6 光纤接口

光纤分为输入和输出。分别用于控制指令的接收和数据信号的回传。其中光接收端子为:A101和A111;光发射端子为:A102和A112。

1.1.7 串行接口

RS232串行接口用于连接外部终端 , 通过该接口可对模块进行测试。232驱动采用MAX232芯片, 串口通过DB25端子与外部设备进行连接。端子号为:X29。

1.2 硬件描述

1.2.1控制逻辑

由于该模 块使用16位单片机80C196KC和可编程 逻辑芯片EPM5128实现对模块的数字控制 , 使得控制功能具有很高的灵活性 , 并且可以根据新的要求不断对单片机或可编程芯片进行升级。下图所示为中央控制逻辑方框图。可编程逻辑芯片采用Altera EPM7160, 它可实现多达60个的TTL或CMOS逻辑门的功能;微控制器采用Intel公司的80C196KC, 是一个16位的CPU, 带有一个8个通道10位模数转换器和数字I/O端口。功率模块模拟量 (如电压、电流等测量信号) 通过A/D转换器获得, 低速监测和控制功能 (如保险监测、接触器控制等) 由数字I/O端口执行, 由于微控制器控制系统对于某些高速的控制功能 (如IGBT-A*、IGBT-B*) 来说速度太低, 所以系统所需的各种高速功能都综合在一起由可编程逻辑芯片EPM7160实现, 与系统安全有关的各种控制功能, 也是使用可编程逻辑芯片由纯硬件来实现, 这样可确保各项保护的实时性。

1.2.2 IGBT 控制

IGBT控制逻辑线路也是由可编程逻辑芯片EPM7160实现的 , 微控制器通过对可编程逻辑芯片允许逻辑的控制, 来实现对各种控制功能的封锁;同时有一条硬件的允许线用来实现快速封锁功能 (例如在过流时) 。控制系统也检测有关最小开关周期时间和最大开关周期时间, 以及可能发生的延长, 如果发生上述情况就会传送给微控制器。

1.2.3 电压测量

电容上的电压是由微控制器进行测量的, 测量线路由分压器、放大器、装换开关和低通滤波器组成。

输入的电压测量范围是800V。分压器采用6个150K的串联电阻与5.62K的电阻组成。800V对应分压器的输出电压为4.96V。为了测量负电压, 10HZ低通滤波器A11为同相放大, A12为反相放大器。当处于小电压的试验模式 (TEST) 时, 输入放大器可以切换放大系数1为放大系数20。功率模块的输出电压同电容电压的测量电路基本一致, 也是由微控制器进行测量的, 不同的是使用了比较器对输出电压进行检查。比较结果作为模块输出电压范围的信息, 被送到可编程逻辑芯片EPM5128。电源电压的测量采用间接手段实现, 实际测量的是控制系统的供电电压 (AC48V) 。电源电压是通过功率模块辅助变压器的变比计算得出的, 为了确保测量结果不受负载变化的影响, 使用一个单独的整流器, 整流后的输出电压通过一个分压器分压 , 送入一个低通滤波器后 , 送入微控制器。控制系统的电源电压是由测量电压的和来实现的, 如果缺少一个电压或电压超出允许偏差范围, 微控制器会立即发现。功率模块输出电流是通过电流互感器LEM变换来测量的。该互感器的电流变比是1:1000。通过不同的运算可以获得IGBT电流、模块输出电流, 并通过比较器得到一个过流信号I-MAX。电流互感器次级输出的电流信号经滤波后, 送入微控制器。输入放大器与前面提到的相同, 增益可以变化。当处于小电压的试验模式时, 输入放大器可以切换放大系数1为放大系数10。模块的过流保护信号也取自电流互感器的次级输出, 比较器的参考电位通过微控制器的PWM输出产生, 经低通滤波后还原为直流电位, 可以通过软件调节从0到200A的电流门限值 (ECAM中的I-MAX:60A) 。IGBT的电流测量, 是通过将电流测量信号与IGBT的控制信号 (IGBT-DR-A) 相乘, 经过10HZ低通滤波器后, 其结果是半个模块的负载电流平均值;由于我们可以假定负载是对称的, 所以可以设想另半个模块的负载电流也是相同的。

2 IGBT 驱动器

IGBT和MOSFET器件一样都是电压控制元件 , 模块上使用的控制电压是±15V。由于2个IGBT控制的模块电压都对地悬浮 (在电容电压上) , 所以同驱动器电源和控制信号一样它们的驱动信号也需要进行绝缘隔离处理, IGBT驱动器和其它需要隔离的电路一起被集成在一个独立的模块内。此外, IGBT的饱和电压也被监测, 当越限时IGBT将被关断 , 这种情况可能是由于过流引起的 , 因此这是一个非常简单但非常有效的过流触发方法, 这个方法能够检测到IGBT的短路情况, 并执行相应的触发。每个IGBT均由一个上图所示驱动器线驱动, 除了分立元件外, 其它所有线路元件都集成在一个单独的模块内。直流/直流转换器提供15V直流电压给驱动器和逻辑线路, IGBT门极激励信号太小可能会损坏器件, 为了防止这种情况的发生, 系统对15V电压进行了监测。同时IGBT的激励信号通过一个脉冲变压器进行隔离。饱和电压监测和直流电压监测功能被集成在控制逻辑中。故障信号通过光纤送回, 在供电电压太低或饱和电压故障触发时, 返回信号将被关断, 否则将一直打开。模块上使用的门极驱动器是HD680, 它是一个桥式电路, 输出电压为15V, 能够开断的峰值电流达8A。IGBT门极电阻为限流电阻 , 当使用东芝的IGBT时 , 门极电阻必须为5Ω。当使用西门子的IGBT时 , 门极电阻为3.3Ω。为了保证电阻偏差 , 可使用三个10Ω电阻并联方式, 其中一个采用焊接跳线的方式加入, 当使用西门子的IGBT时, 这个跳线必须插入。

3 结束语

本文针对发射机PSM部分IGBT控制系统的组成及工作原理做了重点描述, 通过上面的描述能够更加清晰的了解发射机IGBT工作系统中控制模块ZSE21的重要性及特殊性。

摘要：主要从TSW2500型500KW短波发射机PSM核心组称IGBT入手, 着重对其控制模块ZSE21其硬件接口和硬件功能描述和控制单元作了重点描述, 对发射机IGBT控制模块的工作方式有了直观的了解。

PSM功率模块 篇6

1 电子管概述

电子管, 是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器 (一般为玻璃管) 中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极 (屏极) 引线被焊在管基上。利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号, 并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中, 近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代, 但目前在一些高保真的音响器材中, 仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件。

电子管虽然有着体积大、功耗大、发热高、寿命短和电源利用效率低的缺点, 但相比于晶体管, 却有着负载能力强、线性性能好、工作频率高等优点, 因而在大功率PSM短波发射机的放大系统中, 电子管仍然发挥着不可替代的作用。应用于大功率短波发射机的电子管价格昂贵, 并且很容易发生故障。一旦电子管发生故障没有得到及时处理, 将会影响到节目的播出质量, 并带来额外的运营成本。PSM大功率短波发射机的电子管作为消耗件和易损件, 其故障原因有很多, 大多数发射机电子管的故障是由于电子管损坏或性能下降引起的, 影响电子管安全和使用寿命的原因包括灯丝电压、真空度、极间电压、管体温度和外部参数等。因此, 电子管常用的保养维护主要是灯丝电压控制、真空度保持、极间电压控制、电子管冷却等。

2 PSM大功率短波发射机中电子管的维护要点

2.1 电子管的运输和储存

电子管结构脆弱并需要保持管内真空环境, 因而在电子管出厂时, 必须用特质的防震抗摔包装加固, 才能运输。在运输过程中要避免包装箱倒置或倾斜, 在运输时应该保持电子管的轴线垂直, 以指示电子管的装卸和储存。运输过程中要尽量做好货品环境管理, 避免受潮、撞击和强烈震动。另外, 无论是采用陆运、海运或空运, 电子管的运输空间都要求清洁无污染, 绝对不能有腐蚀性气体或液体放置在电子管货堆附近。储存中要保证陶瓷环保护套安全, 保护电子管陶瓷部分的情节, 要注意尽量避免电子管与其他货品摩擦或碰撞, 造成陶瓷会电子管表面伤痕很有可能导致电子管失效, 造成资金和资源的浪费。电子管的运输和储存温度应该保持在5℃~45℃之间, 相对湿度小于80%, 如果需要长期储存, 应该用塑料袋塑封, 并在塑料袋内放置干燥剂。

2.2 电子管的检查

电子管是大功率PSM短波发射机中的重要构建, 由于电子管的性能很容易在运输过程中受到影响, 在电子管到货或投入使用前, 一定要做好电子管的检查。笔者对电子管的检查要点进行分析, 电子管的检查主要包含以下内容。

2.2.1 外观检查与清洁。

尽管电子管运输和储存过程中加大了管理力度, 但由于电子管十分脆弱, 货品到货后仍然可能由于环境和生产问题出现故障。为了确保电子管的性能符合使用要求, 首先要检查电子管的外包装箱, 如果外包装箱完好无损, 且表面没有水渍、污渍和剧烈碰撞痕迹, 可以开箱检查电子管的外观。电子管外观的检查项目包括芯柱、瓷环和个引线环等, 如果电子管外观破损、变形或由机械损伤, 电子管可能性能受损。在电子管开箱验收和检查过程中, 如果检查程序需要接触电子管表面, 检查人员需要佩戴干净的白手套, 尽管如此也不可以手持或接触电子管的陶瓷、封接部位和氩弧焊边等易损坏部位。如果检查中发现管壳有尘垢, 可以先用中性肥皂水擦洗, 之后用纱布蘸无水酒精擦净。电极端的情节则可以采取先用细纱布擦, 再用干净布蘸取酒精擦拭的方法, 切忌不可用刮刀或金属刷清洁电机表面的污垢和氧化部位。

2.2.2 电子管各电极的通路和开路检查。

电子管各电极的通路和开路检查一般会使用三用表, 在检查灯丝通路时, 三用表指示的电阻系数接近零位置, 如果指示数值较大, 则表明灯丝断裂损坏。检测电极间开路时, 如果检测中三用表指针读数最大, 表明阴极与栅极、一栅与二栅间、栅极与阳极间是通路。如果指针有指示但指数并不是最大, 则表明电极间很可能是短路。如果发现短路现象, 则要通过视觉观察是否是电子管受潮或不清洁导致的假碰极, 并采用老炼的方式观察能够使其恢复正常。

2.2.3 电子管极间绝缘检查。

电子管极间检查是通过测量电子管电极间的绝缘阻值实现的。电子管的各个极之间倘若存在碰极现象, 就会使电子管的极与极之间短路而不能正常工作。电子管的碰极常在两种情况下发生:第一种是管子受到振动, 第二种是管子工作在热态时发生, 而在管子冷却后碰极现象也随之消失。常以第二种情况比较多见。不论哪一种情况都可以用不同的方法来检查。第一种情况可以用万用电表的高阻挡接到电子管相邻电极的管脚上来测量, 如阳极与帘栅极或栅极之间, 栅极与阴极之间。测量时电子管应该作轻度的转动和敲击, 如果没有碰极现象, 那么在各个不同的位置, 万用表的指针应该不动, 也就是测得的阻值应为无穷大。如果管子在转动到某一位置时, 万用电表指示的电阻值为0 Q, 说明管子在这个位置发生了碰极。这样的管子虽然还能勉强使用, 但给电子管工作的可靠性带来了很大的影响, 所以还是应该及早换用新管。

2.2.4 电子管冷打压。

当电子管灯丝不加电压, 并在有关电极间加入一定高压, 可以有意使电极间产生限制放电电流, 这种电流能够去掉管内电极上的毛刺, 并免除电子管在高压电场应用时放电, 利用离子轰击阴极毛刺和污垢, 还能够使其溅散气化, 产生清除作用。

2.2.5 电子管的老炼。

电子管老炼包括灯丝老炼和电子管高压老炼两部分内容, 灯丝老炼就是指在电子管上加额定值的灯丝电压和电流, 依靠高温阴极的热辐射来加热管内零件, 实现吸收管内参与气体, 确保电子管真空度的一种老炼操作。电子管高压老炼与冷打压处理的根本区别就是在电极上加入规定的电压, 并保证电子管在高压工作电气性能的稳定性, 当调幅加到100°, 稳定工作后, 再用105°调幅信号瞬间冲击几次, 如果无异常状态, 则可以结束老炼。

综上所述, 在PSM短波发射机中, 电子管作为信号放大的核心部件, 其工作稳定性直接影响着信号质量和信号传输稳定性。易碎材质的电子管体积较大, 并且造价较高, 一旦在使用中保养维护措施不当, 不仅会影响信号传输质量和传输稳定性, 还会加大短波发射机的运营成本。为了确保电子管的工作性能, 提高发射机信号传输质量和稳定性, 一定要做好大功率短波发射机电子管的保养和维护, 尽量提高电子管工作可靠性。

参考文献

[1]王昌林.大功率PSM短波发射机中电子管的可靠性增长研究[J].中外企业家, 2015 (2) :117-118.