關(guān)于PSM功率模塊故障損壞的分析處理

王　超　陳　亮

（國(guó)家新聞出版廣電總局2023臺(tái)，海南　臨高　571800）

關(guān)于PSM功率模塊故障損壞的分析處理

王超陳亮

（國(guó)家新聞出版廣電總局2023臺(tái)，海南臨高571800）

本文簡(jiǎn)單介紹了PSM功率模塊的工作原理，結(jié)合工作中出現(xiàn)的故障案例，分析了出現(xiàn)模塊故障損毀的原因，采取積極的補(bǔ)救措施，改變了PSM模塊的工作穩(wěn)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(fā)射機(jī)在調(diào)機(jī)階段，在工作過(guò)程中PSM功率模塊發(fā)生數(shù)次快速二極管和IGBT爆炸導(dǎo)致模塊損壞的故障?，F(xiàn)將模塊基本情況簡(jiǎn)介如下：DF500KW發(fā)射機(jī)為PSM發(fā)射機(jī)，正常工作時(shí)使用48塊功率模塊和2塊簾柵壓模塊。PSM

調(diào)制器的作用是結(jié)合主整以及調(diào)幅器并將主整的電壓數(shù)值化整為零，組合形式是將低壓整流器以串聯(lián)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(mén)雙極晶體管IGBT對(duì)其輸出電壓起決定作用，但絕緣門(mén)雙極晶體管IGBT自身由直流控制信號(hào)以及音頻調(diào)制信號(hào)控制，來(lái)確保射頻被調(diào)級(jí)可以得到來(lái)自載波頻率點(diǎn)的直流屏壓以及處于電平高位的音頻調(diào)制電壓。為了確保IGBT關(guān)斷能依舊保證整體串聯(lián)電路處于通路，在整流器上分別的直流輸出電壓和相應(yīng)的IGBT輸出端都并入空轉(zhuǎn)二極管。這就組建了一級(jí)PSM開(kāi)關(guān)模塊。

1　PSM功率模塊工作原理

一個(gè)功率開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)IGBT；3當(dāng)電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)旁路負(fù)載電流用于空轉(zhuǎn)的反向二極管。圖1是一個(gè)功率開(kāi)關(guān)模塊電路?，F(xiàn)將這三部分的結(jié)構(gòu)和功能分述如下：

1.1整流器和濾波器

圖1　功率開(kāi)關(guān)模塊電路

次級(jí)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(jīng)三相35A保險(xiǎn)絲以及RV1、RV2、RV3與硅整流二極管CR1～CR6連接。在這些元件當(dāng)中，RV1、RV2和RV3壓敏電阻，他們連接在每?jī)上嗟碾娫粗校捎趬好綦娮杈哂旋R納二極管特性確保電路電壓在出現(xiàn)大的波動(dòng)時(shí)，可以把500V的額定電壓箝位于510V，來(lái)有效的杜絕暫態(tài)過(guò)電壓。

1.2電子開(kāi)關(guān)

直流輸出的700V電壓由電子開(kāi)關(guān)控制了正極部分，電子開(kāi)關(guān)的構(gòu)成元件為絕緣門(mén)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(hù)的作用；其次鄰近于負(fù)載的晶體管類(lèi)型是DC管，起到導(dǎo)通和截止作用。兩管分別輸入控制信號(hào)在對(duì)應(yīng)的門(mén)極和發(fā)射極之間。和電路對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)輸入端并聯(lián)的元期件還包括負(fù)載電阻、反向信號(hào)削波二極管以及正向信號(hào)箝位二極管等元器件。與變壓器T1相對(duì)應(yīng)的是1號(hào)輔助整流器，其直流輸出電壓與保護(hù)管的發(fā)射極相連；與變壓器T2相對(duì)應(yīng)的是2號(hào)輔助整流器，其直流輸出電壓與開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極相連。

1.3空轉(zhuǎn)二極管

從開(kāi)關(guān)管發(fā)射極經(jīng)由四根并聯(lián)的過(guò)載保護(hù)電鎳阻絲到負(fù)載，發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)下它們之間狀態(tài)為短路。若本級(jí)PSM閉合，負(fù)載電流經(jīng)過(guò)Q1管導(dǎo)通，反之情況下，PSM開(kāi)關(guān)拉開(kāi)，負(fù)載電流由空轉(zhuǎn)二極管CR8控制改經(jīng)旁路。雙極晶體管Q1導(dǎo)電情況下空轉(zhuǎn)二極管可被通過(guò)反向電壓。當(dāng)電路中Q1管斷開(kāi)且與Q1管并聯(lián)的分布電容被充電直到電壓數(shù)值高于700V，此時(shí)CR8兩端處于少量正向電壓電路可以導(dǎo)通負(fù)載電流。在功率開(kāi)關(guān)輸出端E18和E19之間跨接著R13、R14和DS2的串聯(lián)組合，DS2為發(fā)光型二極管，可以及時(shí)的反饋開(kāi)關(guān)板的工作狀態(tài)。

狀態(tài)運(yùn)行正常的功率模塊，下圖中紅色線(xiàn)條指示電流流經(jīng)的方向，在E12、E13兩端的反向電壓為DC700V，正向?qū)妷篋C0.6V，導(dǎo)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(fā)生爆炸故障分析

在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)開(kāi)機(jī)上電瞬間IGBT會(huì)導(dǎo)通一次，會(huì)產(chǎn)生漏電壓，使用三用表在模塊輸出端E18、E19測(cè)量，可以讀到3.4V的直流電壓，分析這會(huì)導(dǎo)致快速二極管開(kāi)路或者短路。

當(dāng)快速二極管出現(xiàn)短路故障時(shí)，電路中起到控制保護(hù)作用的IGBT輸出無(wú)法工作?？焖俣O管一直會(huì)處于短路電流為DC40A（載波）的狀態(tài)下，E12、E13兩端測(cè)試不到壓降。圖3為二極管短路時(shí)PSM功率模塊內(nèi)電流流通方向，電路可視作40A的大電流加于反轉(zhuǎn)二極管CR8上導(dǎo)致二極管燒毀。

圖3　快速二極管短路時(shí)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(xiàn)開(kāi)路故障，E12、E13兩端瞬間就加上了全部的末級(jí)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(huì)因?yàn)檫^(guò)電壓發(fā)生爆炸，由爆炸產(chǎn)生的拉弧、煙塵等現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致臨近的功率模塊損壞，從而造成更大的事故?？焖俣O管出現(xiàn)開(kāi)路故障時(shí)，如果IGBT關(guān)斷，電流為零，E18、E19兩端可能出現(xiàn)最高28KV的電壓，高電壓回發(fā)生爆炸并連鎖反應(yīng)損毀其它模塊。

經(jīng)過(guò)事故分析后我們考慮需要提高快速二極管的穩(wěn)定性，采取了將單管二極管更換為雙管二極管并聯(lián)使用的方法，防止快速二極管開(kāi)路情況的出現(xiàn)，即使有一個(gè)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，單管二極管也可以保護(hù)模塊，從而提高了快速二極管的穩(wěn)定性。

2.2模塊出現(xiàn)大面積損壞的故障分析

當(dāng)出現(xiàn)模塊大面積損壞時(shí)，主要從以下四個(gè)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(wěn)定，PSM調(diào)制器的連線(xiàn)及接地不好，造成調(diào)制器工作不穩(wěn)定；第二，功率模塊保護(hù)電路失效，不能快速保護(hù)IGBT；第三，陰流過(guò)流保護(hù)失效，末級(jí)失諧過(guò)流時(shí)不能切斷發(fā)射機(jī)高壓電源；

第四，PSM過(guò)流保護(hù)失效，調(diào)制器負(fù)載故障時(shí)不能快速封鎖調(diào)制器輸出功率。

故障發(fā)生后，根據(jù)可能存在的原因，進(jìn)行了逐項(xiàng)的檢查，檢查結(jié)果如下：

發(fā)現(xiàn)PSM過(guò)流保護(hù)的檢測(cè)電路中限流電阻R1開(kāi)路，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)檢測(cè)不到PSM過(guò)流信號(hào)，不能進(jìn)行快速保護(hù)。

R1 、R2串聯(lián)，分別為10Ω/2W 色環(huán)小電阻，電阻功率偏小，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后導(dǎo)致該電阻出現(xiàn)故障。一旦電阻損壞，發(fā)射機(jī)失去保護(hù)，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(dǎo)致發(fā)射機(jī)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)控制系統(tǒng)檢測(cè)不到過(guò)流信號(hào)，不能快速保護(hù)功率模塊，發(fā)射機(jī)在滿(mǎn)功率播音過(guò)程中處于無(wú)保護(hù)狀態(tài)，在個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí)沒(méi)有有效封鎖調(diào)制器輸出，造成故障擴(kuò)大，最終引起此次模塊的大量損壞。

經(jīng)過(guò)對(duì)事故原因進(jìn)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(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(gè)作用：一是提高了電阻R1的功率；二是當(dāng)一個(gè)電阻出現(xiàn)故障開(kāi)路時(shí)，另一個(gè)電阻仍然可以繼續(xù)工作。2、重新校準(zhǔn)四部發(fā)射機(jī)的PSM過(guò)流保護(hù)點(diǎn)，確保發(fā)射機(jī)在滿(mǎn)功率滿(mǎn)調(diào)制播出狀態(tài)下最大峰值電流不大于110A且能夠在出現(xiàn)過(guò)流時(shí)56uS內(nèi)封鎖PSM輸出。3、在PSM過(guò)流取樣銅塊兩端增加高頻濾波電容，加強(qiáng)對(duì)電阻R1的保護(hù)。

3　結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)功率開(kāi)關(guān)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的工作原理介紹，并結(jié)合實(shí)際工作中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，通過(guò)故障分析找到了快速二極管、IGBT爆炸和模塊出現(xiàn)大面積損壞的原因，然后采取積極的補(bǔ)救措施，提高了PSM模塊的工作穩(wěn)定性，為設(shè)備正常工作提供了強(qiáng)有力的保障，也為今后分析研究PSM模塊故障提供借鑒作用。

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王超（1986.1-），男，本科，工程師，研究方向：廣播電視無(wú)線(xiàn)發(fā)射。

TN722.75

A

1003-5168（2015）-12-0014-2