周濤

【摘要】國產(chǎn)500kW短波發(fā)射機是國內(nèi)自主研發(fā)的最新機型，其使用的功率模塊也是國產(chǎn)化同類器件中功率等級最高的。在該機型的調(diào)試過程中，反復出現(xiàn)了功率模塊的故障甚至是損毀現(xiàn)象。作者從原理、布線、環(huán)境溫度等多個角度進行分析，并結(jié)合具體的測試，判斷出故障原因。通過有針對性的改進措施，排除了這一故障。

【關鍵詞】短波;功率模塊;故障分析

1.前言

國產(chǎn)500kW短波發(fā)射機是國內(nèi)自主研發(fā)的最新機型。該機型的設計研發(fā)充分考慮了目前主流進口機型高頻部分的優(yōu)點，又結(jié)合了國內(nèi)已成熟運用的PSM調(diào)制技術。特別值得一提的是，該機型除了部分真空器件仍需進口外，基本實現(xiàn)了設備的國產(chǎn)化。國產(chǎn)500kW短波發(fā)射機的功率模塊是PSM調(diào)制部分的核心器件，它由48個完全相同的700V功率開關串聯(lián)構成。每個開關在PSM調(diào)制器的統(tǒng)一調(diào)度下，通過絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）完成開關的通、斷，提供出需要的直流電壓和疊加的高電平音頻電壓送至高末電子管屏級。在該機型的現(xiàn)場調(diào)試過程中，功率模塊出現(xiàn)了多次、反復、大面積的故障，嚴重時直接造成了器件的損毀。面對棘手的問題，我試著由淺入深，由表及里的分析問題，以工作原理為基礎，從保護電路、電路設計、元器件參數(shù)、工作環(huán)境等多方面入手，結(jié)合著具體的相關測試，找到了問題的答案。同時，在故障判斷的基礎上，我研究了針對性地改進設計，應用這些故障處理后，消除了原有的故障。

2.功率模塊工作原理

任何故障的分析與處理都是以基本工作原理為依據(jù)的，下面就簡單介紹下此類型功率模塊的工作原理。本文涉及的功率模塊（見圖1功率模塊單元電路圖）是一個脈寬調(diào)制單元，其開關頻率能達到10kHz，并為它的負載提供平均10.4kW的功率。功率開關由E1、E2和E3接入三相500V電源，通過使用三組雙二極管模塊CR1、CR2和CR3實現(xiàn)三相全波整流。整流輸出的儲能是由電容C3、C4、C5和C6完成的，而電阻R3和R4作為這四個電容的分壓器。

圖1 功率模塊單元電路圖

圖2 功率模塊工作原理簡圖

圖1中，Q1是整個功率模塊的核心部分，它由一對絕緣柵雙極性晶體管（即IGBT）組成，分別為AC管和DC管。兩個晶體管的門極是通過R12和R11加偏置的，并且分別由瞬變抑制二極管（CR7和CR5）和箝位二極管（CR6和CR4）進行保護。每一個晶體管的門極都是由功率開關控制單元進行控制的。在功率開關正常的情況下，AC管向DC管提供700V的電壓，然后由DC管控制這700V電壓的合斷，以構成本塊功率模塊的輸出脈沖電壓。

CR8是一只快速反向二極管，它是功率模塊的交通樞紐，起著承上啟下的聯(lián)通作用。它跨接在功率開關的輸出端，反向耐壓為1200V，正向電流為額定電流為120A。反向二極管使得功率開關串接，并使調(diào)制器的負載電流繞過未接通的功率開關。模塊正常工作時的工作原理如圖2所示，當IGBT在PSM調(diào)制器的控制下導通時，電流沿圖中虛線路徑，疊加本級模塊電壓后流向下一個模塊，此時快速二極管CR8反向截止;當IGBT截止時，電流通過快速二級管流向下一級模塊。

3.多角度分析故障

了解了模塊單元的工作原理，下一步就是分析具體問題了。對于調(diào)試中出現(xiàn)的大面積功率模塊的故障，我首先從觀察故障現(xiàn)象入手，爭取從發(fā)生故障的工作條件，發(fā)生故障的具體位置，元器件損毀的嚴重程度幾個角度得到一些有用的信息。

圖3 功率模塊故障現(xiàn)象

圖3中，左上為正常狀態(tài)的模塊單元元件，其余三張圖片均為故障導致的不同程度的元件受損。其中，右上為接線柱及印制板損壞，左下為IGBT燒毀，右下為快速二極管擊穿損壞。首先，故障發(fā)生的工作條件是在發(fā)射機升功率過程中，有時也在滿功率加調(diào)制運行中出現(xiàn);其次，故障發(fā)生的集體位置基本集中在某一個模塊安裝塔內(nèi)（每個模塊塔安裝有12個模塊，并用強制風冷系統(tǒng)進行冷卻），其它塔的模塊則故障較少;最后，元件的損壞部位集中在IGBT、快速二極管、供電接線柱、保險和印制板等幾個地方。通過故障現(xiàn)象的觀察，我想從以下幾個角度分析故障的原因。

3.1 保護線路

保護線路，顧名思義就是在發(fā)生過流等不正常工作狀態(tài)時立即生效和反應，對電路、元件進行保護的專門電路。因此，保護電路的工作非常重要，失去了保護，也就意味著整個模塊處在危險狀態(tài)。針對功率模塊設計的保護線路包括單個模塊的過流保護、高末陰流過流保護和PSM接地過流保護。通過進一步排查，我發(fā)現(xiàn)單個模塊的過流保護以及PSM接地過流保護出現(xiàn)了問題。具體分析如下：

3.1.1 單模塊過流保護

現(xiàn)有的過流保護線路采用四根康銅絲作為接地保護的取樣電阻，并驅(qū)動模塊控制板上的光電耦合器來進行保護，該康銅絲長度為25mm。

經(jīng)查，康銅絲的電導率：ρ=0.000955Ω/mm

光電耦合器的驅(qū)動電壓U=1.3V。

功率模塊的接地保護電阻：

R=（L*ρ）/4=0.00596875Ω;

功率模塊的接地保護電流：I=U/R=218A。

而按照本機型發(fā)射機的基礎參數(shù)，功率模塊的最大工作電流為150A，發(fā)射機載波滿功率工作電流為40A，100%調(diào)制時的電流約為80A。顯然，保護值設在218A遠遠超過了模塊工作電流，使得該保護線路基本處于失效狀態(tài)，達不到設計的考慮。

3.1.2 PSM過流保護

PSM過流保護的檢測電路中限流電阻R1開路（圖4中所示紅色圓圈標注的電阻），導致發(fā)射機檢測不到PSM過流信號，不能進行快速保護。當個別模塊出現(xiàn)故障時，無法封鎖調(diào)制器輸出，造成故障擴大，最終引起了大面積的連鎖反應。

圖4 接地故障傳感器原理圖

圖4中，R1、R2串聯(lián)，分別為10歐姆2W色環(huán)電阻。由于R1阻值的變化導致發(fā)射機出現(xiàn)過流時控制系統(tǒng)檢測不到過流信號，不能快速保護功率模塊。發(fā)射機在滿功率播音過程中處于無保護狀態(tài)。因此，對該保護電路的參數(shù)要進行適當?shù)恼{(diào)整，確保電路在關鍵時刻起到保護作用。

3.2 快速二極管的故障隱患

在故障現(xiàn)象匯總中，可以看到大量快速二極管被擊穿和燒毀。該二極管的作用在第二節(jié)中已經(jīng)介紹，這里不再贅述。通過與其它短波發(fā)射機型模塊單元的對比分析，該二極管可能存在三方面的隱患：

3.2.1 短路故障

圖5 快速二極管短路故障示意圖

當快速二極管出現(xiàn)短路故障時（如圖5所示），E18、E19處于短路狀態(tài)，如果此時DC管導通，則IGBT被短路，電流很大。如果模塊保護電路不靈敏，瞬間過大電流將可能使IGBT、整流二極管等器件損壞，并引起連鎖反應的大面積損毀。如果過流時能通過控制保護電路及時將IGBT輸出關斷，則模塊不再參與工作，避免故障擴大，同時能保證整個高壓通路的正常工作。

圖6 快速二極管開路故障示意圖

3.2.2 開路故障

當快速二極管出現(xiàn)開路故障時（如圖6所示），E12、E13兩端瞬間就加上了全部的末級屏壓。如果此時IGBT處于關斷狀態(tài)，則功率模塊承受不了回路中的高電壓，快速二極管和功率模塊上的其它元器件會因為過電壓發(fā)生爆炸。由爆炸產(chǎn)生的拉弧、煙塵等現(xiàn)象也會導致臨近的功率模塊損壞，從而造成連鎖擴大的事故。

3.2.3 引線干擾

快速二極管安裝在散熱片上，通過引線與上下級模塊連接，引線長度達20多厘米。而引線過長有可能導致引入大的脈沖，利用電流互感器和高壓測試儀，將快速二極管上的電壓電流信號接入示波器。通過觀察測試數(shù)據(jù)，并未發(fā)現(xiàn)有大的脈沖信號出現(xiàn)，基本排除引線長度導致模塊損壞的可能。

3.3 功率模塊工作環(huán)境

這里的工作環(huán)境主要是指溫度條件和散熱措施。功率模塊單元的IGBT、快速二極管和整流二極管在長時間工作狀態(tài)下，溫度會有顯著的升高。此時，如果安裝位置不合理，不利于元件的散熱，或是機房環(huán)境溫度過高，沒有有效的散熱措施，這些都將直接影響功率模塊的穩(wěn)定運行。通過對所有模塊工作狀態(tài)的溫度測試，我發(fā)現(xiàn)兩個問題。一是不同的模塊安裝位置，溫度相差較大。同一個安裝塔的模塊，最上層模塊的溫度比最下層高10度左右;二是大部分模塊工作溫度較高，平均達50度左右，個別最高溫度達到90攝氏度。因此，有效地降低模塊的工作溫度也是迫在眉睫的問題。

4.故障處理措施

針對前節(jié)的分析，我將故障的處理措施主要放在調(diào)整保護線路、重新選擇元件、加強散熱降溫上。

4.1 調(diào)整保護線路

對于單個模塊過流保護線路，重新將保護電流門限值設為為105A，重新計算康銅絲的長度得知：L=U/I/ρ=（1.3V/105A/0.000955Ω/mm） *4=51.857mm

因此，將原來的長度為25mm的康銅絲更換為52mm的康銅絲。對于PSM過流保護線路，原來的電阻R1為10Ω/2W的色環(huán)電阻，現(xiàn)在采用兩只20Ω/5W色環(huán)電阻并聯(lián)使用。這樣處理有兩個作用：一是提高了電阻R1的功率;二是當一個電阻出現(xiàn)故障開路時，另一個電阻仍然可以繼續(xù)工作。通過測試，上述的兩處改進確實提高了保護線路的靈敏度，使其能夠在關鍵時刻起到保護的作用。

4.2 快速二極管的改進

原功率模塊單元中使用的快速二極管型號為DSEI-120-12A。通過前節(jié)的分析，我認為原設計使用的快速二極管容量偏小，特別是在連續(xù)、長時間、滿負荷的運行中，極易造成該二極管的短路或開路故障，帶來極大的隱患。因此，需要選用容量更大的快速二極管代替原有型號。經(jīng)過考察，最終確定了DSEI2X-101-12A型二極管，并且采用雙管并聯(lián)使用。這樣的選擇充分考慮了快速二極管的設計余量，尤其是當一個管子意外損壞時，另一個管子能提供正常通路，防止出現(xiàn)開路現(xiàn)象。統(tǒng)一更換該二極管后，發(fā)射機指標正常，工作狀態(tài)良好。

4.3 改進散熱措施

為了更有效地降低模塊溫度，我們對風冷通道進行了改進。在模塊安裝塔中心的原通風通道上加裝了分流板（見圖7模塊安裝塔加裝分流板）。分流板適當?shù)母淖兞死鋮s風機從塔底向上的送風風向，使得冷卻風更集中的從散熱器上吹過。這樣就很大程度上優(yōu)化了風的流向，提高了現(xiàn)有冷卻風的冷卻效率。

圖7 模塊安裝塔加裝分流板

經(jīng)過測試，加裝了分流板后，功率模塊散熱器工作溫度下降了7度。同時，功率模塊在不同安裝位置的溫差也大大降低了，模塊的工作環(huán)境得到很大的改善。

5.結(jié)束語

本文介紹了新型國產(chǎn)大功率發(fā)射機在調(diào)試過程中反復出現(xiàn)的功率模塊故障，闡述了該型號功率模塊的工作原理，并以此為基本依據(jù)，以故障現(xiàn)象為線索，從保護線路、元器件選型、工作環(huán)境改進三個方面進行了多角度具體的研究。通過針對性的處理解決方案，很好的加強了保護措施、排除了故障隱患、優(yōu)化了原有設計，切實提高了功率模塊工作的穩(wěn)定性。應該說，通過這次故障分析與處理的全過程，我們找到了類似工作的方法和思路，是一次非常有益的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的經(jīng)歷。

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