DF100A100kW短波发射机功率开关模块和功率控制模块工作原理

李翔

【摘要】本文介绍了DF100A100kW短波发射机PSM脉冲阶梯调制技术原理及实现过程，叙述了功率开关模块的组成和工作过程，分析了功率开关控制模块基本结构及其工作原理，介绍了模块风机的作用和注意的事项。

【关键词】脉冲阶梯调制；功率开关模块；功率控制模块；模块风机

中图分类号：TN929                           文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.08.005

美國大陆公司生产的DF100A型100kW PSM短波发射机，该发射机工作需要的工作频率范围为3.2到26.1MHz，输出功率为100kW，采用了脉冲阶梯调制方式，脉冲阶梯调制方式简称PSM是将脉宽调制技术和阶梯调制技术相结合的一种新技术，广泛应用于DF100A发射机中，该系统具有控制简单、工作可靠稳定、效率高等优点，容许加载更高且连续可变的输出电压，以及更大的输出功率，工作的整机效率可达70%以上。

脉冲阶梯调制（PSM）是把音频模拟信号转换成数字信号，再经过数字技术处理，将其输出电压累加成能够反映音频信号变化规律的阶梯波形，调幅发射机的主整变压器和调幅器合二为一，将输入的音频信号经处理后转换为数字信号，然后通过48条光缆控制对串联的48个功率开关模块发出接通或断开的指令，每接通一个功率开关模块就向末级电子管屏极加载700V的直流电压。接通功率开关模块的数量是与载波和音频调制信号的大小成正比。DF100A发射机调制级采用50个完全相同的功率开关模块，其中48个末级电子管加载屏压，其余2个为末级加载帘栅压。DF100A短波发射机在满功率，载波状态下，在正常外电时将串联21个功率开关模块，则末级电子管的屏极可加载21×700V=14 700V的电压。在有调制情况下，对应100%调幅正峰时，将有42个功率开关接通，末级电子管屏极可获得29 400V电压；对应负峰100%调幅，所有开关均关断，末级电子管屏极电压为0V。另有两个功率开关模块用于加载末级电子管的调制帘栅压，采用PDM工作方式，控制帘栅压模块的开关，向电子管帘栅极提供1400V的电压。功率开关控制器管控制每一个功率开关模块，将若干个功率开关模块输出电压按阶梯式累加，所累加起来的信号不仅具有音频信号的包络特征，而且获得了电平的放大。它将被加至高末电子管的屏级与栅极的射频载波共同完成高功放的调制。

1. PSM功率开关模块

PSM功率开关模块是一个脉冲宽度调制单元，它的开关频率具有高达10kHz以及向发射机的负载加载平均2.1kW的功率。这种功率开关模块可以在小于400ns时间内接通和切断一个700V的电压。一个功率开关模块就是一个PSM开关，一个完整的功率开关模块分别有①整流器及其滤波器。②绝缘栅双极性晶体管模块IGBT。③反向二极管三个主要部分组成。

1.1 PSM开关有整流器及其滤波器

功率开关模块接入三相500V电源，经过三个压敏电阻，这三个压敏电阻具有齐纳二极管特性， 在异常情况下，可以把500V的额定电压箝位于510V，因此能有效地防止暂态过电压将输入电压钳位于510V，在于外电变化时对功率开关进行保护。通过此后经15A保险丝和连接硅整流二极管三相全波整流器整流后，经过三个滤波电容整流后的直流电压经过滤波器滤波。其滤波电感是主整变压器的漏感，主要滤波电容由两只串联云母电容器，用以滤除高频窜扰信号。700V整流器的滤波器两端接有均压兼泄放电阻。泄放电阻串联指示灯发光二极管的组合。发光二极管亮时表示整流正常，发光二极管逐渐变暗和彻底熄灭三种情况下分别表示电容正在放电和已经放电完毕。

1.2 绝缘栅双极性晶体管模块IGBT

绝缘栅双极性晶体管模块IGBT的第一个晶体管靠近于电源，称为保护管，第二个晶体管靠近于负载，称为开关管。分别从它们的主要功能来说，保护晶体管又名保护管，开关晶体管也叫开关管。两管的控制信号分别输入到各自的门极和发射极之间。与每路控制信号输入端相并联的还有：负载电阻、反向信号削波二极管和正向信号箝位二极管各一只。控制信号的电源来自两套辅助整流器，其交流电源来自辅助变压器，两套辅助整流器都采用单相桥式电路，经整流、滤波和稳压后的最终输出电压是12V，开关管的发射极相连每个绝缘栅双极晶体管通断都是由功率开关控制板控制的，当栅极为高电平时保护管截止，开关管导通。在功率开关正常的情况下，保护管向开关管加载700V的电压，并且由开关管控制这700V电压的合断，构成功率开关模块的输出电压700V直流输出电压的正极受控于电子开关，它主要由绝缘门双极晶体管模块IGBT组成。

1.3 反向二极管

反向二极管跨接在功率开关的输出端。模块中反相二极管在PSM功率开关模块上，当开关管合上时，空转二极管截止，此时本功率开关模块与其他使用的功率开关模块串联，电压叠加。功率开关模块大板当开关管断开时，空转二极管导通，为其他使用的模块加载通路。当发射机功率开关模块工作异常时，即当开关管失效或开路击穿时，保护管被拉断，此时空转二极管导通，本功率开关模块不参与循环，空转二极管为其他使用的模块加载导通当开关合上时，负载电流由绝缘栅双极晶体管管导通。功率开关模块发生故障时，即保护管或开关管被长时间拉断，发光二极管才处于熄灭状态，方便值机员发现故障点而及时处理。发射机的主整滤波电容器储藏的能量很大，在发生负载通地或对地打火故障时，假如不能快速切断负载或迅速泄放掉滤波器的储能，往往会造成大故障，甚至是灾害性的故障。我们常说的速断、速放，常用的油闸、继电器和真空开关等因动作延时要快速泄放储能。从开关管发射极经由过载保护拾电镍阻丝到负载。该电阻丝由四根并联，DF100A型机的总阻值为0.025欧姆。IGBT，30A过载电流相对应的保护性控制电压为0.75V，在正常情况下则相当于短路。当本功率开关模块开关合上时，负载电流由IGBT管导通，而当本级PSM开关拉开时，则负载电流被空转二极管所旁路。这里的空转二极管在IGBT导电时承受反向电压，IGBT管并联的分布电容被充电到电源电压（700V）以上，即电容两端处于少量正向电压下才能导通负载电流。在功率开关输出端有一个放光二极管，此发光二极管用于指示本块开关板是否正常。IGBT管导通时发光二极管得电，而当IGBT管关断时发光二极管也断电，但因绝IGBT管经常处于快速通断状态下，所以开机后发光二极管保持发亮。

2. 功率开关控制器控制板原理

每一个功率开关模块上都装有一个功率开关控制器板，也可以说它是功率开关模块的一部分。功率开关控制器与整个调制器的系统联系是通过两条光缆实现的，其中一条光缆是传送反应本功率开关模块工作状态的信号，用于接收来自循环调制器的合或断开关管的指令信号，另一条光缆是接收要求合或断开关管的指令信号传递本块功率开关是否工作正常的信息。功率开关控制器主要完成保护管的合、断控制，保护管的合、断控制，功率开关模块的输出端短路保护，开关管工作状态检测及故障保护，发出本开关模块状态及外电变化信号五种功能，功率开关模块上有两个指示灯，交流侧指示灯亮时表示模块整流指示正常；直流侧指示灯亮时表示模块输出正常。

2.1 开关管控制器工作原理

发射机48个功率开关模块中绝缘栅双极性晶体管模块IGBT负责开或断的控制指令是来自PSM組合的环形调制器控制系统。环形调制器控制系统根据音频信号变化规律对这些功率开关模块进行着控制开关。在每个功率开关控制器上都有一个光接收器来接收上述的由光缆传递的指令信送号，经通、断控制电路发出高电平（12V）或低电平（0V），控制开关管导通或者截止。

当功率开关模块正常工作，光接收器未收到光信号时，其输出端1脚为高电平，加至与非门的6脚。与非门的5脚为高电平，所以其输出端4脚为低电平，又加至第二个与非门的12脚。当没发生输出端短路故障时，外接电源对一个10μF电容充电，当电压达到12V时，标准555定时器的2号端为高电平，标准555定时器的3号端为低电平，这时与非门的11脚输出高电平，通过一个反相器输出一个低电平加至开关管的栅极，此IGBT开关管截止。

光接收器收到光信号时，输出端1脚由高电平转化为低电平，使与非门的4脚输出由低电平转换为高电平，从而又使与非门另一个与非门的11脚输出由高电平转换为低电平，这个低电平经两个并联的比较器后输出高电平，这个高电平就使得对应的开关管导通，模块正常工作。

当功率开关模块在输出端间出现短路时，电流变大，使两端电压超过0.7V，使功率开关控制器中的光电隔离管中的发光二极管处于正向偏置而导通发光，光电隔离管中的三极管在光的作用下也随之导通，从而使集电极5脚输出由原先的高电平跳变至低电平，这个电平下降沿将对定时器555定时器进行触发。555定时器采用的是标准555定时器电路，当555定时器受到触发后，其输出状态由低电平跳变至高电平，并开始了延时周期，经0.527秒延时后，输出状态又恢复至原先的低电平。在555定时器输出高电平的0.527秒时间内，这个高电平经二极管的正向电阻很快对电容充电，经非门和与非门的1和2脚获得一个高电平，从而使与非门的3脚输出由高电平转换为低电平跳变。这个低电平将向后面的电路发出一个低电平而使开关管被切断。

有光时光接收器输入为高电平，且555定时器的3号端输出为低电平，则在输出端高电平，开关管合上，无光时光接收器输出为低电平，则输出低电平，开关管断开，当有过流时，555定时器的2号端输入一个近似为0V的负脉冲，则555定时器的3号端输出一个宽度为517ms的正脉冲，输出端输出一个宽度为517ms的负脉冲，将使开关管封锁517ms。

2.2 保护管工控制电路原理

正常工作时保护管是导通的。开机后，经+12VA电源，通过电阻分压和稳压管得到5.1V电压加至比较器的反相输入端。另一路，+12VA电源经电阻对电容充电，使比较器输入端电位升高，经0.1ms，比较器输入端电压达到6V，加至比较器同相输入端，使比较器的7脚输出一个高电平。高电平加至由两个与非门组成的栓锁式RS触发器的“S”置低电平。开机时，由于比较器输入端电位是逐渐升高的，所以RS触发器输入端为低电平；经过0.1ms后，RS触发器输入端电位变为高电平即S端为高电平，绝缘栅双极性晶体管模块IGBT端置为低电平，RS触发器的12脚为低电平，但随着由+12VA电源通过对100kΩ电阻和10uF电容进行充电经10ms延时后，被置为低电平，经两个并联的反相器反相后为高电平1，就把一个+12v的高电平送到保护管的栅极，保护管导通。在正常的情况下，光电耦合管的二极管不发光，对比较器的输出无影响。

当外电降低幅度较大时，使得经整流和稳压后输出的电源变为10V以下，电位下降至5V，低于电位5.1V，比较器的输出由高电平变低电平，输出为低电平，故输出一个低电平加至保护管的栅极，将保护管关断。

当开关管发生短路或开路故障后，异或门的3脚将给出一个高电平，使绝缘栅双极晶体管场效应管导通，光电耦合管中的发光二极管导通发光，光电耦合管中的三极管导通，其集电极电位下降为低电平，经反相器把这个低电平加在保护管的栅极，使保护管开路，保护管栅极使其截止，脱离电路。

开关状态检测电路其原理为，当保护管导通后，保护管输出700V的直流电压，导通后的压降为3.7V的电压。压控振荡器的电压与开关控制器中的电阻R（10kΩ）和电容C（0.001μF）共同决定着的输出频率输出为37kHz。

10V电源由压控振荡器内部电路供给，光发射器就随着37kHz信号电平的变化，把相应频率的个光信号通过光缆发给环形调制器的控制系统。发光频率为37Hz，表示输出700V正常，压控振荡器的输出信号的频率随着保护管输出电压的高低而变化，范围在29～64kHz。当外电变高时，压控振荡器输出频率也随之升高，外电变低时，输出频率也随之降低。

当功率开关模块出现故障时，它的自身保护电路将把保护管拉断，700V电压无输出，压控振荡器也没有信号输出了。

在调制器的控制系统中，由开关状态板将48个功率开关模块发出的37kHz信号进行电平进行加减控制，环形调制器板将根据汇总的电平情况决定功率开关可以加载的功率数，从而自动调整应该开关的模块数。当外电升高后，汇总电平也将升高，这表明每个功率开关可以加载的功率增加了，则实际关闭的开关数量可以相应减少，以保证输出功率不变。外电降低时，应增加闭合的开关数量。同样，若某个功率开关损坏后，它的37kHz信号也消失，调制器控制系统自动将这个故障开关模块从整个电路中脱开，剩下的功率开关模块串联正常输出，不影响发射机正常工作。

3. 模块风机

模块风机输入单相230V、60HZ电源供电，按美国电源周波60HZ设计的，按50HZ使用，解决环境温度过高时，保护功率开关模块而设计，将环境温度控制在一定范围内。特别注意会处理由于功率开关模块风机故障，风机马达温度过高，功率开关模块吹风停止，导致风接点断开，使主风机辅助继电器断开，引起发射机掉灯丝，掉高压的故障。

4.结束语

功率开关模块及其功率开关控制板在PSM短波发射机工作和维护中非常重要的作用，本文详细分析了DF100A100kW短波发射机PSM脉冲阶梯调制技术原理及功率开关模块的组成及功率开关控制模块基本结构及其工作原理，介绍了模块风机的作用和注意的事项。通过学习和分析它们，我们可以更好地理解PSM短波发射机的工作原理，解决许多实际发射机工作中的故障，为保证广播电台安全播出工作作出贡献。

参考文献：

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