关于PSM功率模块故障损坏的分析处理

2015-10-14王超陈亮

河南科技 2015年23期

关键词：过流二极管发射机

王　超　陈　亮

（国家新闻出版广电总局2023台，海南　临高　571800）

关于PSM功率模块故障损坏的分析处理

王超陈亮

（国家新闻出版广电总局2023台，海南临高571800）

本文简单介绍了PSM功率模块的工作原理，结合工作中出现的故障案例，分析了出现模块故障损毁的原因，采取积极的补救措施，改变了PSM模块的工作稳定性，为今后分析研究PSM模块故障提供借鉴。

PSM功率模块； IGBT ；快速二极管

本单位发射机在调机阶段，在工作过程中PSM功率模块发生数次快速二极管和IGBT爆炸导致模块损坏的故障。现将模块基本情况简介如下：DF500KW发射机为PSM发射机，正常工作时使用48块功率模块和2块帘栅压模块。PSM

调制器的作用是结合主整以及调幅器并将主整的电压数值化整为零，组合形式是将低压整流器以串联的形式组建主整。一套整流器的电路都为三相全波整流电路，绝缘门双极晶体管IGBT对其输出电压起决定作用，但绝缘门双极晶体管IGBT自身由直流控制信号以及音频调制信号控制，来确保射频被调级可以得到来自载波频率点的直流屏压以及处于电平高位的音频调制电压。为了确保IGBT关断能依旧保证整体串联电路处于通路，在整流器上分别的直流输出电压和相应的IGBT输出端都并入空转二极管。这就组建了一级PSM开关模块。

1　PSM功率模块工作原理

一个功率开关模块组件部分如下：1三相全波整流器及其滤波器；2电子开关IGBT；3当电子开关关断时旁路负载电流用于空转的反向二极管。图1是一个功率开关模块电路。现将这三部分的结构和功能分述如下：

1.1整流器和滤波器

图1　功率开关模块电路

次级为多绕组的主整变压器为整流器的提供了三相交流电源，引入端为E1、E2、E3。电流经三相35A保险丝以及RV1、RV2、RV3与硅整流二极管CR1～CR6连接。在这些元件当中，RV1、RV2和RV3压敏电阻，他们连接在每两相的电源中，由于压敏电阻具有齐纳二极管特性确保电路电压在出现大的波动时，可以把500V的额定电压箝位于510V，来有效的杜绝暂态过电压。

1.2电子开关

直流输出的700V电压由电子开关控制了正极部分，电子开关的构成元件为绝缘门双极晶体管Q1。Q1的邻近于电源的晶体管为AC管，主要起到保护的作用；其次邻近于负载的晶体管类型是DC管，起到导通和截止作用。两管分别输入控制信号在对应的门极和发射极之间。和电路对应的控制信号输入端并联的元期件还包括负载电阻、反向信号削波二极管以及正向信号箝位二极管等元器件。与变压器T1相对应的是1号辅助整流器，其直流输出电压与保护管的发射极相连；与变压器T2相对应的是2号辅助整流器，其直流输出电压与开关管的发射极相连。

1.3空转二极管

从开关管发射极经由四根并联的过载保护电镍阻丝到负载，发射机工作状态下它们之间状态为短路。若本级PSM闭合，负载电流经过Q1管导通，反之情况下，PSM开关拉开，负载电流由空转二极管CR8控制改经旁路。双极晶体管Q1导电情况下空转二极管可被通过反向电压。当电路中Q1管断开且与Q1管并联的分布电容被充电直到电压数值高于700V，此时CR8两端处于少量正向电压电路可以导通负载电流。在功率开关输出端E18和E19之间跨接着R13、R14和DS2的串联组合，DS2为发光型二极管，可以及时的反馈开关板的工作状态。

状态运行正常的功率模块，下图中红色线条指示电流流经的方向，在E12、E13两端的反向电压为DC700V，正向导通电压DC0.6V，导通电流DC40A（载波）。

图2　正常工作的功率模块

2　事故原因分析

2.1模块发生爆炸故障分析

在现场发现开机上电瞬间IGBT会导通一次，会产生漏电压，使用三用表在模块输出端E18、E19测量，可以读到3.4V的直流电压，分析这会导致快速二极管开路或者短路。

当快速二极管出现短路故障时，电路中起到控制保护作用的IGBT输出无法工作。快速二极管一直会处于短路电流为DC40A（载波）的状态下，E12、E13两端测试不到压降。图3为二极管短路时PSM功率模块内电流流通方向，电路可视作40A的大电流加于反转二极管CR8上导致二极管烧毁。

图3　快速二极管短路时的电流方向

同样在极端情况下，PSM功率模块快速二极管出现开路故障，E12、E13两端瞬间就加上了全部的末级屏压，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他元器件会因为过电压发生爆炸，由爆炸产生的拉弧、烟尘等现象会导致临近的功率模块损坏，从而造成更大的事故。快速二极管出现开路故障时，如果IGBT关断，电流为零，E18、E19两端可能出现最高28KV的电压，高电压回发生爆炸并连锁反应损毁其它模块。

经过事故分析后我们考虑需要提高快速二极管的稳定性，采取了将单管二极管更换为双管二极管并联使用的方法，防止快速二极管开路情况的出现，即使有一个出现短路现象，单管二极管也可以保护模块，从而提高了快速二极管的稳定性。

2.2模块出现大面积损坏的故障分析

当出现模块大面积损坏时，主要从以下四个方面查找原因：第一，功率模块的工作回路及接地不好，造成功率模块单元工作不稳定，PSM调制器的连线及接地不好，造成调制器工作不稳定；第二，功率模块保护电路失效，不能快速保护IGBT；第三，阴流过流保护失效，末级失谐过流时不能切断发射机高压电源；

第四，PSM过流保护失效，调制器负载故障时不能快速封锁调制器输出功率。

故障发生后，根据可能存在的原因，进行了逐项的检查，检查结果如下：

发现PSM过流保护的检测电路中限流电阻R1开路，导致发射机检测不到PSM过流信号，不能进行快速保护。

R1 、R2串联，分别为10Ω/2W 色环小电阻，电阻功率偏小，长时间运行后导致该电阻出现故障。一旦电阻损坏，发射机失去保护，就有可能造成功率模块的损坏。此次故障主要由于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，在个别模块出现故障时没有有效封锁调制器输出，造成故障扩大，最终引起此次模块的大量损坏。

经过对事故原因进行深入的分析和探讨，决定采取以下措施处理：1、R1电阻为10Ω/2W 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。2、重新校准四部发射机的PSM过流保护点，确保发射机在满功率满调制播出状态下最大峰值电流不大于110A且能够在出现过流时56uS内封锁PSM输出。3、在PSM过流取样铜块两端增加高频滤波电容，加强对电阻R1的保护。