国产大功率短波发射机功率模块故障分析与处理

周涛

【摘要】国产500kW短波发射机是国内自主研发的最新机型，其使用的功率模块也是国产化同类器件中功率等级最高的。在该机型的调试过程中，反复出现了功率模块的故障甚至是损毁现象。作者从原理、布线、环境温度等多个角度进行分析，并结合具体的测试，判断出故障原因。通过有针对性的改进措施，排除了这一故障。

【关键词】短波;功率模块;故障分析

1.前言

国产500kW短波发射机是国内自主研发的最新机型。该机型的设计研发充分考虑了目前主流进口机型高频部分的优点，又结合了国内已成熟运用的PSM调制技术。特别值得一提的是，该机型除了部分真空器件仍需进口外，基本实现了设备的国产化。国产500kW短波发射机的功率模块是PSM调制部分的核心器件，它由48个完全相同的700V功率开关串联构成。每个开关在PSM调制器的统一调度下，通过绝缘栅双极性晶体管（IGBT）完成开关的通、断，提供出需要的直流电压和叠加的高电平音频电压送至高末电子管屏级。在该机型的现场调试过程中，功率模块出现了多次、反复、大面积的故障，严重时直接造成了器件的损毁。面对棘手的问题，我试着由浅入深，由表及里的分析问题，以工作原理为基础，从保护电路、电路设计、元器件参数、工作环境等多方面入手，结合着具体的相关测试，找到了问题的答案。同时，在故障判断的基础上，我研究了针对性地改进设计，应用这些故障处理后，消除了原有的故障。

2.功率模块工作原理

任何故障的分析与处理都是以基本工作原理为依据的，下面就简单介绍下此类型功率模块的工作原理。本文涉及的功率模块（见图1功率模块单元电路图）是一个脉宽调制单元，其开关频率能达到10kHz，并为它的负载提供平均10.4kW的功率。功率开关由E1、E2和E3接入三相500V电源，通过使用三组双二极管模块CR1、CR2和CR3实现三相全波整流。整流输出的储能是由电容C3、C4、C5和C6完成的，而电阻R3和R4作为这四个电容的分压器。

图1 功率模块单元电路图

图2 功率模块工作原理简图

图1中，Q1是整个功率模块的核心部分，它由一对绝缘栅双极性晶体管（即IGBT）组成，分别为AC管和DC管。两个晶体管的门极是通过R12和R11加偏置的，并且分别由瞬变抑制二极管（CR7和CR5）和箝位二极管（CR6和CR4）进行保护。每一个晶体管的门极都是由功率开关控制单元进行控制的。在功率开关正常的情况下，AC管向DC管提供700V的电压，然后由DC管控制这700V电压的合断，以构成本块功率模块的输出脉冲电压。

CR8是一只快速反向二极管，它是功率模块的交通枢纽，起着承上启下的联通作用。它跨接在功率开关的输出端，反向耐压为1200V，正向电流为额定电流为120A。反向二极管使得功率开关串接，并使调制器的负载电流绕过未接通的功率开关。模块正常工作时的工作原理如图2所示，当IGBT在PSM调制器的控制下导通时，电流沿图中虚线路径，叠加本级模块电压后流向下一个模块，此时快速二极管CR8反向截止;当IGBT截止时，电流通过快速二级管流向下一级模块。

3.多角度分析故障

了解了模块单元的工作原理，下一步就是分析具体问题了。对于调试中出现的大面积功率模块的故障，我首先从观察故障现象入手，争取从发生故障的工作条件，发生故障的具体位置，元器件损毁的严重程度几个角度得到一些有用的信息。

图3 功率模块故障现象

图3中，左上为正常状态的模块单元元件，其余三张图片均为故障导致的不同程度的元件受损。其中，右上为接线柱及印制板损坏，左下为IGBT烧毁，右下为快速二极管击穿损坏。首先，故障发生的工作条件是在发射机升功率过程中，有时也在满功率加调制运行中出现;其次，故障发生的集体位置基本集中在某一个模块安装塔内（每个模块塔安装有12个模块，并用强制风冷系统进行冷却），其它塔的模块则故障较少;最后，元件的损坏部位集中在IGBT、快速二极管、供电接线柱、保险和印制板等几个地方。通过故障现象的观察，我想从以下几个角度分析故障的原因。

3.1 保護线路

保护线路，顾名思义就是在发生过流等不正常工作状态时立即生效和反应，对电路、元件进行保护的专门电路。因此，保护电路的工作非常重要，失去了保护，也就意味着整个模块处在危险状态。针对功率模块设计的保护线路包括单个模块的过流保护、高末阴流过流保护和PSM接地过流保护。通过进一步排查，我发现单个模块的过流保护以及PSM接地过流保护出现了问题。具体分析如下：

3.1.1 单模块过流保护

现有的过流保护线路采用四根康铜丝作为接地保护的取样电阻，并驱动模块控制板上的光电耦合器来进行保护，该康铜丝长度为25mm。

经查，康铜丝的电导率：ρ=0.000955Ω/mm

光电耦合器的驱动电压U=1.3V。

功率模块的接地保护电阻：

R=（L*ρ）/4=0.00596875Ω;

功率模块的接地保护电流：I=U/R=218A。

而按照本机型发射机的基础参数，功率模块的最大工作电流为150A，发射机载波满功率工作电流为40A，100%调制时的电流约为80A。显然，保护值设在218A远远超过了模块工作电流，使得该保护线路基本处于失效状态，达不到设计的考虑。

3.1.2 PSM过流保护

PSM过流保护的检测电路中限流电阻R1开路（图4中所示红色圆圈标注的电阻），导致发射机检测不到PSM过流信号，不能进行快速保护。当个别模块出现故障时，无法封锁调制器输出，造成故障扩大，最终引起了大面积的连锁反应。

图4 接地故障传感器原理图

图4中，R1、R2串联，分别为10欧姆2W色环电阻。由于R1阻值的变化导致发射机出现过流时控制系统检测不到过流信号，不能快速保护功率模块。发射机在满功率播音过程中处于无保护状态。因此，对该保护电路的参数要进行适当的调整，确保电路在关键时刻起到保护作用。

3.2 快速二极管的故障隐患

在故障现象汇总中，可以看到大量快速二极管被击穿和烧毁。该二极管的作用在第二节中已经介绍，这里不再赘述。通过与其它短波发射机型模块单元的对比分析，该二极管可能存在三方面的隐患：

3.2.1 短路故障

图5 快速二极管短路故障示意图

当快速二极管出现短路故障时（如图5所示），E18、E19处于短路状态，如果此时DC管导通，则IGBT被短路，电流很大。如果模块保护电路不灵敏，瞬间过大电流将可能使IGBT、整流二极管等器件损坏，并引起连锁反应的大面积损毁。如果过流时能通过控制保护电路及时将IGBT输出关断，则模块不再参与工作，避免故障扩大，同时能保证整个高压通路的正常工作。

图6 快速二极管开路故障示意图

3.2.2 开路故障

当快速二极管出现开路故障时（如图6所示），E12、E13两端瞬间就加上了全部的末级屏压。如果此时IGBT处于关断状态，则功率模块承受不了回路中的高电压，快速二极管和功率模块上的其它元器件会因为过电压发生爆炸。由爆炸产生的拉弧、烟尘等现象也会导致临近的功率模块损坏，从而造成连锁扩大的事故。

3.2.3 引线干扰

快速二极管安装在散热片上，通过引线与上下级模块连接，引线长度达20多厘米。而引线过长有可能导致引入大的脉冲，利用电流互感器和高压测试仪，将快速二极管上的电压电流信号接入示波器。通过观察测试数据，并未发现有大的脉冲信号出现，基本排除引线长度导致模块损坏的可能。

3.3 功率模块工作環境

这里的工作环境主要是指温度条件和散热措施。功率模块单元的IGBT、快速二极管和整流二极管在长时间工作状态下，温度会有显著的升高。此时，如果安装位置不合理，不利于元件的散热，或是机房环境温度过高，没有有效的散热措施，这些都将直接影响功率模块的稳定运行。通过对所有模块工作状态的温度测试，我发现两个问题。一是不同的模块安装位置，温度相差较大。同一个安装塔的模块，最上层模块的温度比最下层高10度左右;二是大部分模块工作温度较高，平均达50度左右，个别最高温度达到90摄氏度。因此，有效地降低模块的工作温度也是迫在眉睫的问题。

4.故障处理措施

针对前节的分析，我将故障的处理措施主要放在调整保护线路、重新选择元件、加强散热降温上。

4.1 调整保护线路

对于单个模块过流保护线路，重新将保护电流门限值设为为105A，重新计算康铜丝的长度得知：L=U/I/ρ=（1.3V/105A/0.000955Ω/mm） *4=51.857mm

因此，将原来的长度为25mm的康铜丝更换为52mm的康铜丝。对于PSM过流保护线路，原来的电阻R1为10Ω/2W的色环电阻，现在采用两只20Ω/5W色环电阻并联使用。这样处理有两个作用：一是提高了电阻R1的功率;二是当一个电阻出现故障开路时，另一个电阻仍然可以继续工作。通过测试，上述的两处改进确实提高了保护线路的灵敏度，使其能够在关键时刻起到保护的作用。

4.2 快速二极管的改进

原功率模块单元中使用的快速二极管型号为DSEI-120-12A。通过前节的分析，我认为原设计使用的快速二极管容量偏小，特别是在连续、长时间、满负荷的运行中，极易造成该二极管的短路或开路故障，带来极大的隐患。因此，需要选用容量更大的快速二极管代替原有型号。经过考察，最终确定了DSEI2X-101-12A型二极管，并且采用双管并联使用。这样的选择充分考虑了快速二极管的设计余量，尤其是当一个管子意外损坏时，另一个管子能提供正常通路，防止出现开路现象。统一更换该二极管后，发射机指标正常，工作状态良好。

4.3 改进散热措施

为了更有效地降低模块温度，我们对风冷通道进行了改进。在模块安装塔中心的原通风通道上加装了分流板（见图7模块安装塔加装分流板）。分流板适当的改变了冷却风机从塔底向上的送风风向，使得冷却风更集中的从散热器上吹过。这样就很大程度上优化了风的流向，提高了现有冷却风的冷却效率。

图7 模块安装塔加装分流板

经过测试，加装了分流板后，功率模块散热器工作温度下降了7度。同时，功率模块在不同安装位置的温差也大大降低了，模块的工作环境得到很大的改善。

5.结束语

本文介绍了新型国产大功率发射机在调试过程中反复出现的功率模块故障，阐述了该型号功率模块的工作原理，并以此为基本依据，以故障现象为线索，从保护线路、元器件选型、工作环境改进三个方面进行了多角度具体的研究。通过针对性的处理解决方案，很好的加强了保护措施、排除了故障隐患、优化了原有设计，切实提高了功率模块工作的稳定性。应该说，通过这次故障分析与处理的全过程，我们找到了类似工作的方法和思路，是一次非常有益的发现问题、分析问题、解决问题的经历。

参考文献

[1]刘洪才.现代中短波广播发射机[M].中国广播电视出版社，2008.

[2]孙庆有，李栋.广播电视发送技术[M].中国广播电视出版社，2000.

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