關于PSM功率模塊故障損壞的分析處理

王　超　陳　亮

（國家新聞出版廣電總局2023臺，海南　臨高　571800）

關于PSM功率模塊故障損壞的分析處理

王超陳亮

（國家新聞出版廣電總局2023臺，海南臨高571800）

本文簡單介紹了PSM功率模塊的工作原理，結合工作中出現的故障案例，分析了出現模塊故障損毀的原因，采取積極的補救措施，改變了PSM模塊的工作穩定性，為今后分析研究PSM模塊故障提供借鑒。

PSM功率模塊； IGBT ；快速二極管

本單位發射機在調機階段，在工作過程中PSM功率模塊發生數次快速二極管和IGBT爆炸導致模塊損壞的故障。現將模塊基本情況簡介如下：DF500KW發射機為PSM發射機，正常工作時使用48塊功率模塊和2塊簾柵壓模塊。PSM

調制器的作用是結合主整以及調幅器并將主整的電壓數值化整為零，組合形式是將低壓整流器以串聯的形式組建主整。一套整流器的電路都為三相全波整流電路，絕緣門雙極晶體管IGBT對其輸出電壓起決定作用，但絕緣門雙極晶體管IGBT自身由直流控制信號以及音頻調制信號控制，來確保射頻被調級可以得到來自載波頻率點的直流屏壓以及處于電平高位的音頻調制電壓。為了確保IGBT關斷能依舊保證整體串聯電路處于通路，在整流器上分別的直流輸出電壓和相應的IGBT輸出端都并入空轉二極管。這就組建了一級PSM開關模塊。

1　PSM功率模塊工作原理

一個功率開關模塊組件部分如下：1三相全波整流器及其濾波器；2電子開關IGBT；3當電子開關關斷時旁路負載電流用于空轉的反向二極管。圖1是一個功率開關模塊電路。現將這三部分的結構和功能分述如下：

1.1整流器和濾波器

圖1　功率開關模塊電路

次級為多繞組的主整變壓器為整流器的提供了三相交流電源，引入端為E1、E2、E3。電流經三相35A保險絲以及RV1、RV2、RV3與硅整流二極管CR1～CR6連接。在這些元件當中，RV1、RV2和RV3壓敏電阻，他們連接在每兩相的電源中，由于壓敏電阻具有齊納二極管特性確保電路電壓在出現大的波動時，可以把500V的額定電壓箝位于510V，來有效的杜絕暫態過電壓。

1.2電子開關

直流輸出的700V電壓由電子開關控制了正極部分，電子開關的構成元件為絕緣門雙極晶體管Q1。Q1的鄰近于電源的晶體管為AC管，主要起到保護的作用；其次鄰近于負載的晶體管類型是DC管，起到導通和截止作用。兩管分別輸入控制信號在對應的門極和發射極之間。和電路對應的控制信號輸入端并聯的元期件還包括負載電阻、反向信號削波二極管以及正向信號箝位二極管等元器件。與變壓器T1相對應的是1號輔助整流器，其直流輸出電壓與保護管的發射極相連；與變壓器T2相對應的是2號輔助整流器，其直流輸出電壓與開關管的發射極相連。

1.3空轉二極管

從開關管發射極經由四根并聯的過載保護電鎳阻絲到負載，發射機工作狀態下它們之間狀態為短路。若本級PSM閉合，負載電流經過Q1管導通，反之情況下，PSM開關拉開，負載電流由空轉二極管CR8控制改經旁路。雙極晶體管Q1導電情況下空轉二極管可被通過反向電壓。當電路中Q1管斷開且與Q1管并聯的分布電容被充電直到電壓數值高于700V，此時CR8兩端處于少量正向電壓電路可以導通負載電流。在功率開關輸出端E18和E19之間跨接著R13、R14和DS2的串聯組合，DS2為發光型二極管，可以及時的反饋開關板的工作狀態。

狀態運行正常的功率模塊，下圖中紅色線條指示電流流經的方向，在E12、E13兩端的反向電壓為DC700V，正向導通電壓DC0.6V，導通電流DC40A（載波）。

圖2　正常工作的功率模塊

2　事故原因分析

2.1模塊發生爆炸故障分析

在現場發現開機上電瞬間IGBT會導通一次，會產生漏電壓，使用三用表在模塊輸出端E18、E19測量，可以讀到3.4V的直流電壓，分析這會導致快速二極管開路或者短路。

當快速二極管出現短路故障時，電路中起到控制保護作用的IGBT輸出無法工作。快速二極管一直會處于短路電流為DC40A（載波）的狀態下，E12、E13兩端測試不到壓降。圖3為二極管短路時PSM功率模塊內電流流通方向，電路可視作40A的大電流加于反轉二極管CR8上導致二極管燒毀。

圖3　快速二極管短路時的電流方向

同樣在極端情況下，PSM功率模塊快速二極管出現開路故障，E12、E13兩端瞬間就加上了全部的末級屏壓，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他元器件會因為過電壓發生爆炸，由爆炸產生的拉弧、煙塵等現象會導致臨近的功率模塊損壞，從而造成更大的事故。快速二極管出現開路故障時，如果IGBT關斷，電流為零，E18、E19兩端可能出現最高28KV的電壓，高電壓回發生爆炸并連鎖反應損毀其它模塊。

經過事故分析后我們考慮需要提高快速二極管的穩定性，采取了將單管二極管更換為雙管二極管并聯使用的方法，防止快速二極管開路情況的出現，即使有一個出現短路現象，單管二極管也可以保護模塊，從而提高了快速二極管的穩定性。

2.2模塊出現大面積損壞的故障分析

當出現模塊大面積損壞時，主要從以下四個方面查找原因：第一，功率模塊的工作回路及接地不好，造成功率模塊單元工作不穩定，PSM調制器的連線及接地不好，造成調制器工作不穩定；第二，功率模塊保護電路失效，不能快速保護IGBT；第三，陰流過流保護失效，末級失諧過流時不能切斷發射機高壓電源；

第四，PSM過流保護失效，調制器負載故障時不能快速封鎖調制器輸出功率。

故障發生后，根據可能存在的原因，進行了逐項的檢查，檢查結果如下：

發現PSM過流保護的檢測電路中限流電阻R1開路，導致發射機檢測不到PSM過流信號，不能進行快速保護。

R1 、R2串聯，分別為10Ω/2W 色環小電阻，電阻功率偏小，長時間運行后導致該電阻出現故障。一旦電阻損壞，發射機失去保護，就有可能造成功率模塊的損壞。此次故障主要由于R1阻值的變化導致發射機出現過流時控制系統檢測不到過流信號，不能快速保護功率模塊，發射機在滿功率播音過程中處于無保護狀態，在個別模塊出現故障時沒有有效封鎖調制器輸出，造成故障擴大，最終引起此次模塊的大量損壞。

經過對事故原因進行深入的分析和探討，決定采取以下措施處理：1、R1電阻為10Ω/2W 色環電阻，現在采用兩只20Ω/5W 色環電阻并聯使用。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故障開路時，另一個電阻仍然可以繼續工作。2、重新校準四部發射機的PSM過流保護點，確保發射機在滿功率滿調制播出狀態下最大峰值電流不大于110A且能夠在出現過流時56uS內封鎖PSM輸出。3、在PSM過流取樣銅塊兩端增加高頻濾波電容，加強對電阻R1的保護。

3　結語

本文主要對功率開關模塊進行了詳細的工作原理介紹，并結合實際工作中出現的故障現象，通過故障分析找到了快速二極管、IGBT爆炸和模塊出現大面積損壞的原因，然后采取積極的補救措施，提高了PSM模塊的工作穩定性，為設備正常工作提供了強有力的保障，也為今后分析研究PSM模塊故障提供借鑒作用。

［1］韓勇.PSM短波發射機功率模塊爆炸的原因分析和處理［J］.廣播電視信息，2014（5）：65-68.

［2］王鵬.幾例DM 10KW中波廣播發射機故障的排除［J］.數字傳媒研究，2015（7）：46-48.

［3］王鵬.大功率短波廣播發射機調制技術的應用發展［J］.科技傳播，2015（6）：29-31.

王超（1986.1-），男，本科，工程師，研究方向：廣播電視無線發射。

TN722.75

A

1003-5168（2015）-12-0014-2