浅谈500kW短波发射机双功率模块专业技术特性

1、浅谈 500kW短波发射机双功率模块技术特性- 机电论文浅谈 500kW 短波发射机双功率模块技术特性刘玮（国家新闻出版广电总局五九四台，陕西咸阳712028 ）【摘要】主要从TSW2500型 500kW短波发射机 PSM 可编程控制双功率模块的组成结构和工作原理以及测试环境上分析其技术特性。关键词 PSM 双功率模块； IGBT；VT100 ；软开关控制0 引言TSW2500型 500kW短波发射机是目前世界上最先进的短波发射机之一 ,PSM 发射机的主要组成部分有：射频级，脉阶调制器（ PSM ），发射机控制部分，电机控制 ,电源和冷却部分，相关的安全装置用于保护工作人员的安全。射频部分包

2、括合成器、 预放大级、驱动级、末级。末级电源由脉阶调制器 （PSM ）供给。射频末级电源由 PSM 部分处理后供给， PSM 控制部分根据选择的调制模式进行数字信号处理， 并监控功率模块。 发射机控制部分是操作者或控制计算机和发射机之间直接的联络界面，它用于顺序开关发射机， 并帮助操作者发现和排除故障。电机控制系统根据选择的频率来定位各路调谐元件。所有MP电机和MS 开关可自动或手动操作。 PSM 调制器共由 26 块可编程控制双功率模块组成，调制器控制电路全部采用计算机技术和可编程逻辑器件(PLD) 。双功率模块的控制单元应用了微控制器和可编程逻辑器件，大大提高了发射机调制方式方面的自动化控

3、制程度和水准， 其调制模式可以在标准调幅双边带，浮动载波控制 AM 和高、低选择的单边带， 以及数字广播 (DRM) 中任意切换。 充分体现了计算机技术和可编程逻辑器件的应用给广播发射机带来的新技术革新。1 功率模块组成结构PSM 功率模块组采用 26 个双功率模块设计分为两大类：公共部分包含了模块所需的通用器件，如保险F1,变压器 T11, 电流互感器 LEM, 模块阻流圈 L24, 接地开关放电电阻R21/R22, 电容充电电路等；功率部分作为模块的核心，包含IGBT,整流二极管 V1-V6, 电容组 C20A-C20H,IGBT控制电路。2PSM 调制的特性和功率模块工作原理PSM 调制

4、的工作特点和性能： 如果某个功率模块关断， 通路不会切断， 一个所谓的空转二极管（ FD ）并联到每个功率模块，可以旁路所在模块的电流。某个功率模块故障通常会被忽略，因为这将仅仅在调制度大于96% 时有影响。如果调制度如此高，唯一的影响是调幅被限制在96% 。这种影响用耳听很难辨出，故障的功率模块可在节目空隙时更换。如发射机不运行满载波功率， 一个模块故障根本不会产生影响。已经提及，输出功率由单独合断一定数量功率模块产生。假设开始时输出电压为零，那么在某个时刻第一个功率模块被合上（它可以是52 个功率模块中的任一个） ，输出电压会增加到一个台阶电压值。电流会流经关断模块的空转二极管， 再经低通

5、滤波器到负载。 如果再需要合上模块， 则输出电压会相应增加，输出电压可通过改变合上模块数量由零增加到载波电压的2 倍。脉阶调制器根据输入的音频信号计算瞬时要求的功率模块数。当无音频信号时，会产生射频末级输出载波功率需要的DC 电压；取决于所加的音频信号， 输出电压会在 0 至 2 倍 DC 载波电压之间变化， 瞬时合上的功率模块数会在 0 值 52 之间变化。脉阶调制器控制系统监测所有功率模块以及它们的负载平衡情况。 上面提到的方法显然不能提供符合要求的精确理想的输出电压，产生的误差必须补偿，这点是通过在粗台阶调制中插入PDM 补偿。 PDM 脉冲幅度等于一个台阶电压，脉冲宽度与瞬时误差成比例

6、。这些脉冲也是由用于粗调的功率模块产生。由此产生的开关频率用低通滤波器滤除。在射频末级屏极得到理想的无失真幅度调制包络。可编程控制双功率模块的基本原理见图1 ，每块双功率模块由对应的PSM 变压器次级线圈中的一组供电， 经模块上的 3 相全波整流后得到直流电压 （也可称为 6 脉动整流，对每个模块来说相当于3 相半波整流）。模块上的电源接通后，模块上的电容开始慢速充电，此时所有功率模块上接触器（ K1）都处于释放状态，约30 秒后 K1 吸合，电容开始快速充电。模块上的电源断开后，电容（ C）通过电阻（ R）安全地放电。每个功率模块使用一个IGBT（绝缘门双极晶体管） 作为开关元件， 配合简单

7、的外部电路就可以实现快速地合、断。IGBT 控制单元（ ZSE21 ）控制开关元器件的合、断并对其进行实时监测。监测内容包括台阶电压、功率模块辅助电压、开关元件和功率模块输出电流等，如某个值超出允许值， 控制系统会通过断开交流接触器（K1 ）来关断功率模块， IGBT 控制单元（ ZSE21）通过光纤连接到PSM控制系统，这些光纤除传输控制信号（合、断命令）外，也用于回传信息，使TSM 控制系统任何时候都能得到功率模块的瞬时状态信息。3 功率模块的软开关设计由于模块使用了大容量的电容组，在高电压直接充电时产生的浪涌电流只能靠模块上很小的电感分量来限制，在这种情况下保险将不会起到保护模块的作用，

8、为避免充电时产生大的电流损坏设备，模块采用了软开关电路见图2 ，当发射机处于 STANDBY （待机）状态时模块通电，此时K1 是断开的，整流二极管V8组成两个单相半波整流电路，先由2 个单相半波整流电路经R21和R22限流后，给两组电容慢速充电至一定电压，约10 秒钟后， K1动作。通过三相整流电路再给电容快速充电，避免了直接快速充电引起变压器次级冲击电流过大，进而损坏元件。采用软开关措施当K1吸合时，充电电流被限制在400A以下。充电回路：当T 相为正电压时：T 相保险（ F6） V8 （1，2） R21电容 A，B，C，D中线当T 相为负电压时：中线电容 E，F，G，HR22 V8 （3

9、，1）保险（ F6） T 相图 2 软开关功能4 功率模块的开关元件IGBTIGBT组件可以使用东芝的MG150Q2YS40或西门子生产的BSM50GAL120D。这些半导体器件的额定电压为1200V ，额定电流为 150A 。在模块上最大使用了定额值的60% ，留出了充分的余量，保证了使用的安全性。机器上目前采用的是东芝的产品。2 个 IGBT、2 个快速恢复二极管作为一个半波电路被集成在一个固态模块中。一个IGBT 作为开关使用（它的二极管没有使用），另一个 IGBT 的二极管作为空转二极管来使用，也就是说第二个IGBT 没有使用，在工作过程中一直处于关断状态。这样设计有一个优点， 就是大

10、大减少了从开关到空转二极管之间的引线电感。从而防止了模块频繁开关引起的寄生振荡。系统的设计采用了4 层印刷电路板，内部连接更为简便，只有很少的电感成分，所以 IGBT 不需要安装缓冲元件。这也进一步减少了IGBT 的损耗，并且确保它即使在短路的情况下也可以安全地关断。IGBT 由 TSM 控制系统靠光纤输入A101 进行控制，控制信号由模块控制系统来监测，且系统考虑了最小指令周期和最大开关频率以保护IGBT。5 功率模块的仿真测试由于发射机长时间满负荷工作且故障经常就出现在公共部分和功率部分，但对于上述问题， 除保险类故障外， 我们无法准确判断出是那一部分的故障。考虑到 PSM 模块都是悬浮与

11、高电位，在发射机上无法进行测试，于是这里引入超级终端测试环境 VT100 （计算机）超级终端，用光纤短路光纤接口；屏幕的上方将会显示模块的各项测试数据，模块的控制部分通过测量系统可得到多达15 个物理量的模块工作状态信息，模拟信号有：5 个模块电压， 2 个电流；数字信号有：温度，保险状态，过/ 欠流，过 / 欠压等等。6 模块模块的技术特性（）该可编程控制双功率模块与DRM 广播兼容，不需做任何改动。（ 2）可编程双功率模块控制单元（ ZSE21）采用微控制器（ 80C196KC ）和可编程逻辑器件（ EPM7160 ）相结合，具有高度智能化 ,通过多个采样点提供的数据，对双功率模块的运行状态进行实时监测。（ 3）模块控制单元设有 RS232 串行接口，串口通过 DB25 端子与外部设备进行连接，通过该接口可对模块进行测试。（4 ）模块驱动电路采用半桥电路双通道驱动电路显著特点是具有保护功能的驱动电路，不但能在正常工作状态下给 IGBT 提供所需的驱动功率，在异常工作状态下能起保护IGBT 防止短路的作用，并且能够使得IGBT 具有良好的可替换性。（5 ）调制器控制的控制模块开关的指令，要经过模块