新型数字功率模块和控制板的保护原理以及典型故障解析

李刘奇

国家新闻出版广电总局542 台，北京100045

0 引言

在大功率短波发射机中，功率模块由于数量多、工作电压高、工作电流大、开关动作频繁，故其稳定性直接关系到发射机运行的稳定。为了与DMR2000 数字调制器更好的配合工作，从而达到最佳的电声指标，实现优质播音的目标。由无线电台管理局开发处自主研发设计了新型数字功率模块和控制板。为了便于改造工作的进行和后期的维护，新型数字功率模块和控制板的外形和安装尺寸均与模拟的功率模块和控制板保持一致。但是全新的数字电路系统带来了全新的工作原理尤其是大幅提高对于功率模块的保护效率，使功率模块的运行更加稳定。

1 典型故障解析

1.1 发射机加高压后大量功率模块出现故障指示

故障现象：发射机加高压后，初始D7、D8 板（调制接口板）所有功率模块工作指示灯（绿灯）正常全部亮起，随后几秒钟后功率模块工作指示（绿灯）相继灭掉，故障指示灯（红灯）亮起，随着故障指示灯亮起数量增加，调制器判断损坏功率模块数超过最高限值（15块）从而是发射机落高压。

故障分析：

1）过流保护：由于从调制器总体输出到高末电子管屏极的整个回路中出现短路导致功率模块上电流超过限定阀值，引起过流保护。

过流保护原理：通过功率模块上的高速电流传感器（取代模拟功率模块上的康铜丝，相比于康铜丝电流传感器的精度更高，响应快：在1us 内将功率模块的过流信息传递给模块控制板）对功率模块的工作电流进行实时检测，并将电流采样值（电流传感器以1:1000 的比例对采样电流进行转换，次级输出电流为25mA，可以通过调节测量电阻改变次级输出到控制板的信号电压值，从而调节过流保护阀值。）与参考电压值进行比较，结果传送给模块控制板的控制逻辑（CPLD）判断，当出现电流超限时，切断功率模块输出，保护功率器件。

图1 过流保护原理框图

2）失步保护：调制器总体输出到高末电子管屏极的整个回路中出现开路可能会导致功率模块关闭后在无负载的情况下IGBT 中DC 管的输出电荷（杂散电容）泄放不掉，使系统判断功率模块仍然打开，触发失步保护，关闭功率模块进行保护。

失步保护原理（图2）：

实时采样功率模块（IGBT）的开关情况，信号经光藕后输入CPLD 与光收器收回的数字调制器控制信号（进过整形、延时）进行异或比较，结果由CPLD 判断，当出现失步保护时切断功率模块输出，保护功率器件。另会传送一组失步脉宽信号经过ADC 后给到单片机，最终经光发器发送数据（功率模块的状态以及采样电压值）给数字调制器进行功率模块的状态指示并停止参加模块循环队列。

图2 失步保护原理框图

解决办法：连接调制器D5 板（综合算法板）串口后，在发射机加起高压后实时采集（保护瞬间）的数据，以”FF”为数据包头，字节56～183 为模块电压值，其中每两个字节代表一个模块电压（有效位14bit，其中高4 位为状态位，低10 位为电压值），共64 个模块，只用前48 个。如 果高四位为0011，则代表目前模块处于失步保护状态；如果高四位为1001，则代表目前模块处于过流保护状态。清楚了引起保护的具体原因则可有针对性的查找问题源头。

1.2 关于数字系统需要充分放电的问题

故障描述：当发射机落高压与再次加高压的间隔时间小于1.5s 时，会出现大面积的功率模块的工作指示灯不亮而故障指示灯亮，甚至导致发射机落高压保护（故障模块超过15 块）。

故障分析：功率模块关闭后，功率模块上的数字功率模块控制板的供电电路中滤波电容需要充分放电。在数字系统中，如果电容 放电不完全即开始重新充电工作，会导致数字系统进入一个不稳定状态，数字芯片本身进入死锁状态，从而导致控制板工作不稳定给出故障指示。

图3

解决办法：每次发射机落高压到下次加高压的间隙大于1.5s 以上，给与电容充分放电的时间即可。

1.3 功率模块保护过于灵敏的问题（欠饱和保护）

故障描述：发射机加高压后，加调幅至70%～90%时，功率模块开始陆续出现故障指示而退出工作，直至超出最大可损坏功率模块数的限制，发射机自动保护落高压。

故障分析：调幅度增大带来发射机输出电流增大，功率模块输出电流增大，数字功率模块控制板的失步电平进一步增大，失步脉宽变宽，导致消隐C3 电容充电速度变快；当消隐电容C3 端电压充电至6.5V 时(阀值)，IGBT 仍然不能充分导通，此时经MC33153 芯片内部比较器判断给出欠饱和故障指示，功率模块控制板控制功率模块停止工作。

欠饱和工作原理：当功率模块控制板的光收器收到来自于数字调制器的打开信号后，在无其他故障保护前提下，经过光藕进行光电隔离后输入IGBT 驱动芯片MC33153，经芯片输出驱动IGBT 打开与关断。当当前信号为关闭IGBT 指令时，芯片输入端为高电平，输出驱动级为低电平，而此时位于芯片内部消隐比较器旁的NPN 三极管输入为高电平，三极管导通从而钳位比较器的输入，防止出现故障指示；当IGBT 打开后，MC33153芯片的8 脚（欠饱和输入引脚）内部的电源经过8 脚外部的二极管D1、D2 进行泄放，从而保证8 脚的无积累电压； 当IGBT 栅极为高电平，IGBT 打开，8 脚外部的二极管关短，此时芯片8 脚内部的消隐比较器输入端的电源开始为消隐电容C3 进行充电，当C3 端电压达到6.5V（消隐比较器阀值）时，如果IGBT 仍没有充分打开，此时消隐比较器会给输出低电平信号并与芯片输入信号相与后馈入短路和过流锁存器，过流锁存器会在剩余周期内关闭IGBT。同时由芯片7 脚输出故障指示信号经过光电隔离后给到CPLD，进行欠饱和保护，关闭模块，保护功率器件。

图4 欠饱和保护原理框图

图5 MC33153 芯片内部结构

解决办法：设计之初的控制板消隐C3 电容值为10pf，设计目的是以保护为主，可能会使控制板的欠饱和保护工作在临界状态，会比较容易造成超出临界状态而保护的现象，将消隐电容C3 值改为2.2nf（标准设计），延长消隐时间，提高了发射机功率模块关断门限电平，即可解决此问题。

2 结论

由于新型数字功率模块控制板出色的保护设计，当功率模块运行过程中出现故障时可以在第一时间进行快速保护，不仅可以更好保证发射机的运行不受故障功率模块的影响，从而保证了发射机的稳定运行。同时也有效的延长了功率模块的使用寿命。推广运行几年来，故障损坏率低，运行稳定。

[1] 刘洪才.广播发射新技术[M].中国广播电视出版社，2010.