1、DF100A 短波发射机功率模块 IGBT 击穿对信比的影响1 引言 在 DF100A PSM 发射机运行中，48 个功率模块输出电压为高末电子管提供屏压，在工作中经常会遇到有模块 IGBT（双极性绝缘栅）击穿的现象，如果在工作中如果没有及时发现，将造成发射机的信噪比指标下降，收听有杂音。在设备维护中，如何发现此现象并解决指标下降问题，对发射机安全稳定运行有着十分重要的意义。 2 功率模块及其控制板的工作原理概述 每一块模块主要由三部分电路组成，即：一套三相全波整流器及其滤波器：主要由一只绝缘门双极晶体管（IGBT）组成的电子开关；当电子开关关断时旁路负载电流，即用于空转的反相二极管。 2.1
2、 电子开关 IGBT 的主要组成 700V 直流输出电压的正极受控于电子开关，它主要由绝缘门双极晶体管 Q1 组成，Q1 的第一个晶体管邻近于电源，称为 AC 管即保护管，第二个晶体管邻近于负载又称 DC 管即开关管。两管的控制信号分别输入到各自的门极和发射极之间，与每路控制信号输入端相并联的还有：负载电阻 10K、反向信号削波二极管和正向信号箝位二极管各一只。 2.2.1 开关管控制原理 每个功率模块上都附有一个功率开关控制板，用它来控制保护管和开关管，由于功率开关模块及其控制器都悬浮于高电位，所以它同低电位处的控制信号依靠两条高绝缘的光缆相联系。其中，一条光缆用于接收来自循环调制器的合或断
3、开关管的指令信号；另一条光缆用于传递本块功率开关是否工作正常的信息。 开关管的控制信号经图 1 所示电路引入它的门极，当某个 PSM 开关的合闸信号由电信号转变为光信号时，它通过光缆传送到一个对号的光电管，即图 1 的 U8。U8 受光导通并输出低电平。其后的与非门 U11B 有一输入端固定为高电平，它和来自 U8 的低电平相“与”而又倒相后为 1信号。这个 1 信号输入到与非门 U11D 的一端，它的另一个输出端在过载镍丝保护不起作用时也是 1 信号，故其输出为 0 信号。再经非门 U12 为1 信号、即高电平，所以开关管门极得高电平触发而导通。这相当于同U8 对号的 PSM 开关被合上，反
4、之，当上述 PSM 开关受拉闸信号控制时，U8 没有光输入，相应开关管的门极输入为低电平，即对号的 PSM 开关被拉开。 当过载电流达到整定值时，镍丝两端的电压降上升到 0.75V，使光电耦合器 U14 二极管发光，并促使它的三极管饱和导电。这样，U14 的三极管集电极就由截止时的高电平翻转为饱和导电时的低电平，去对定时器U10 的 8 号端触发，从而使它的 9 号段输出高电平，经三级非门转变为低电平输出，因而使对应的开关管拉开，防范了过载事故。U10 输出高电平的延时 t=1.1R24C26=1.1471031010-6 =517ms。 2.2.2 保护管控制原理 保护管的控制电源来自 1
5、号辅助整流器，其输出电压为 12V，相应的正、负端分别标示为 12VA 和 A。其中的 A 端与对号 PSM 开关保护管的输出端，即该管的发射极相连。保护管的控制信号电路如图 1 所示。在图1 中，U2 的同相输入端由 12VA 经 1：2 分压器的 6V，其反相输入端由12VA 经 1k 电阻和稳压管引取 5.1V（6V） ，故正常输出应为高电平。启动时，因为 0.1uF 电容器有一个充电的过程，所以 U2 的输出由低电平转变为高电平要经历一定的的延时。根据有关电路的充电微分方程可以解得电容器上的暂态电压为：Uc=Ri5.1V 这说明 U2 的输出在合电后0.095ms 才由低电平变为高电平
6、。这个充电电路的主要作用是：当外电瞬时降低时，依靠 0.1uF 电容的储能，可以防止 U2 立即输出低电平而拉开保护管。 图 1 中的 U9、Q1 和 U7 组成同步检测保护电路，在正常情况下，U7的二极管不发光、三极管不导电，故对 U2 的输出电平无影响。图中的 U4是 4093B 型三与非门集成块中的两个与非门，并由两者组成基本 R-S 触发器。其中有引出线的输出端为 Q，单纯反馈并不引出的输出端是Q（） ，与 Q 对应的输入端是 S（）d，与 Q（）对应的输入端是R（）d。当 S（）d =R（）d =1 时，Qn+1=Qn，即输出是 0 还是 1取决于原有的状态。然而由于在 R（）d 端
7、的降压电阻前还接有 100K和 10uF 的充电电路，所以另有特点，启动时 U2 经过 0.095ms 输出高电平，即 S（）d =1。R（）d 要经过一定的充电时间才能建立高电平，而且阻容串联电路在外施电压 E 作用下的充电电压为：Uc=E*（1-e-）式中：E=12v，R=100K，C=10mF；若以 U2 同相端经过充电达到 51.V 的时间 t=0.095ms 代入上式，可算得 uc=0.0001V。此电压很小，相当于电平为 R（）d =0。根据 S（）d =1、R（）d =0 得 Q=0.此逻辑电平经一级非门转变为 1 信号输入到保护管门极，从而使保护管开通。当R（）d 输入电路充电
8、完成时， R（）d =1， S（）d =1，基本R?DS 触发器的输出取决于原有状态，即 Q=0，它使得保护管保持导通。 3 IGBT 击穿对发射机指标的影响 在发射机运行中，当功率模块的 IGBT 击穿后，加高压功率降至零时会出现高末屏压表有 500V 的静态电压，该模块的输出指示灯 DS2 一直亮。也就是说只要一加高压，故障模块的 IGBT 已经不受光信号的控制，整流输出电压直接加到高末电子管屏极。在满功率时测试发射机杂音指标，测试值为-34dB 左右，杂音指标变差。 正常工作时，功率开关模块上的 IGBT 的开关管被击穿时，功率开关控制小板的失步保护电路检测开关管已被击穿，会断开保护管，
9、保护管被切断后，本板的外电检测电路不再发出 37KHz 信号通知本机的开关状态板。开关状态板对应电路不动作，开关状态板对应模块工作状态指示灯灭，循环调制器就会自动将这一个功率开关跳过，此功率开关从高压供电系统中脱开。发射机正常工作，而当功率开关模块的 IGBT 的开关管和保护管均已被击穿的情况，失步保护电路试图断开保护管，而保护管也被击穿，无法断开，本板的外电检测电路依然发出信号。通知开关状态板；此功率开关模块在正常工作，开关状态板对应模块工作状态指示灯亮着。循环调制器依然按“先合先断，先断先合”的原则让这个功率开关循环通断。功率开关控制器控制功率开关合上时，IGBT 的开关管和保护管均已被击
10、穿，这个功率开关输出电压，而当功率开关控制器控制功率开关断开时，由于 IGBT 的开关管和保护管均已被击穿，无法断开，此功率开关继续供电，此时 PSM 调制器输出的高压比正常时多出了一个功率开关模块电压（约 680V） ，形成一个方波的噪声，PSM 系统用于 PDM补偿的三角波信号频率 fc约为 70KHz120KHz，单个功率开关模块的通断频率为开关频率的 48 次分频：fc?M48=1.5KHz2.5KHz，所以产生的噪声频率为 1.5KHz2.5KHz，由于这个噪声频率是变化的，用示波器观察载波时无法同步信号，这也是一个重要特征。 这个噪声是因为 1.5KHz2.5KHz 的频率上多合上
11、一个功率开关，所以产生的噪声是一个 1.5KHz2.5KHz 的方波，PSM 系统的镇噪板按“静态使用，动态停用”的原则工作，在无调制信号时（静态） ，由于射频信号通过包络检波器和双向限幅器取得音频噪音分量，经反向后加入音频调制信号中，用来抵消原有噪音，来改善整机的杂音电平，这个由于功率开关模块击穿产生的方波噪音信号的平直阶段。就可以应用 PSM 系统的镇噪器，在方波的开始上升及下降阶段，当镇噪器还没有停用时，在音频通路板中就已经增加了反向检波信号。在此基础上就可以得到正常工作状态的方波。 4 结束语 DF100A 型短波发射机在运行一段时间后，模块上的 IGBT 击穿就会影响到发射机的信噪比，导致发射机播出质量差。因此要加强发射机的维护及管理，借助一些细微变化，找出可能的故障并及时消除，确保发射机的良好运行状态。 参考文献： 1 魏瑞发，陈锡安， 脉阶调制设备 。 2 黄志忠， DF100A 型短波广播发射机调谐驱动原理与故障分析 ，黑龙江科技信息 2010.10。
