淺談 C INRAD/CD雷達 IGBT故障控制及維護

龔雪鵬,文繼國,武孔亮,吳勁松

(1.貴州省畢節地區氣象局,貴州 畢節 551700;2.成都信息工程學院,四川 成都 610225)

淺談 C INRAD/CD雷達 IGBT故障控制及維護

龔雪鵬1,文繼國2,武孔亮1,吳勁松1

(1.貴州省畢節地區氣象局,貴州 畢節 551700;2.成都信息工程學院,四川 成都 610225)

新一代天氣雷達的脈沖調制器性能直接影響到雷達的正常業務運行,因此其維護也日益受到重視。以畢節新一代天氣雷達脈沖調制器維護為個例,分析調制開關故障原因。結合工作經驗,從業務實際出發,對脈沖調制器的使用維護及工作狀態提出一些建議。希望對我省其他 C INRAD/CD雷達有一定的借鑒,以提高新一代天氣雷達業務運行質量。

C INRAD/CD雷達;脈沖調制器;IGBT

1 引言

畢節新一代天氣雷達為 714CDN全相參多普勒天氣雷達,其發射系統為主振放大式發射機,由微波固態功率放大器和高增益脈沖速調管級聯而成。它將來自頻綜的小功率射頻脈沖信號,放大成滿足要求的大功率射頻脈沖信號,然后經天線系統向空間輻射,完成探測氣象信息的目的。

本發射機的調制器為采用大功率 IGBT模塊作調制開關的剛性調制器,有利于實現雙重復頻率工作 (雙 PRF)及脈寬轉換功能。調制器電源采用高壓開關電源,可有效消除雙 PRF工作時的幅差,穩壓精度及可靠性高。同時,系統監控采用可編程控制器實現全機控制保護及信息傳遞。

本文結合脈沖調制器的原理分析,針對工作中實際個例,對全固態剛性開關調制器的故障控制及維護作出一些初淺的建議。

2 脈沖調制器的組成和工作原理

2.1 原理結構

脈沖調制器主要由調制開關、儲能元件、隔離元件和充電旁通元件等 4部分組成,負載就是微波源。其工作原理見圖 1。

脈沖調制器的工作過程可分為充電和放電 2個階段,這 2個階段的轉換由調制開關控制,調制開關斷開期間,高壓電源通過隔離元件和充電旁通元件向儲能元件充電。當觸發脈沖到來時,調制開關導通,儲能元件通過調制開關和脈沖變壓器初級放電,使負載工作,此時產生大功率微波脈沖信號經過饋線系統送往天線。

圖 1 脈沖調制器原理方框圖

2.2 調制開關部分

雷達發射機中常用的脈沖調制器主要有 2種,一種是軟性開關的人工線調制器,另一種是剛性開關的電容儲能部分放電式調制器。

軟性開關調制器的特點是依靠仿真線放電形成調制脈沖,脈沖寬度固定且只與仿真線參數有關,寬度為 2n,其中n為仿真線節數,L0、C0分別為仿真線每節的電感和電容值。即使采用多組人工線對脈寬進行變換,仍將存在人工線的切換問題,因此很難實現復雜的信號形式。

綜上所述,全固態的調制器一直是真空管發射機研制中所追求的目標,其采用電容器作為儲能元件,真空管的導通和截止都嚴格受脈沖調制器的控制,轉換非常迅速,具有良好的開關性能,脈寬基本由激勵脈沖所決定。

本站 714CDN雷達采用的是 IGBT剛性調制器,下文將做簡單介紹。

2.3 IGBT作為剛性開關調制器

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型功率管。根據其電力電氣的特點,值得注意的是：IGBT單個器件的耐壓等級較低,故實際雷達工作中為 IGBT的串聯運行。同時,由于發射機的微波發射管的工作電壓較高可達幾十千伏,采用IGBT作為開關的調制器一般要采用脈沖變壓器升壓。

綜上所述,不難發現：采用大功率 IGBT模塊作調制開關的剛性調制器將一直處于工作電壓高、脈沖電流大、級聯組件多的工作狀態下,因此在故障維護及日常維護中,應該將著重注意以下幾點：

①對于串聯 IGBT組件來說,必須保證每個 IGBT模塊能觸發。同時,在畢節 714CDN雷達中,為了獲取較陡峭的脈沖前后沿,其采用富士公司生產的混合集成電路 EXB841對 IGBT模塊實現驅動 (電路參數詳見 784廠電原理圖冊 JL.2.870.023DL)。

②IGBT組件均壓問題。由于工程技術上的差異,IGBT模塊之間也存在差異性,在如此大電壓、大電流的環境中,勢必會出現電壓尖峰和 IGBT模塊上電流、電壓不均的現象?；谏鲜龇治?首先要求臺站機務人員熟悉均壓電路板,其次在故障排除時應盡量選用型號一致、特性一致的 IGBT模塊進行更換。

③控制保護電路 (JL.933.239DL)。實時地對串聯 IGBT組件的工作狀態進行檢測,以確保在速調管打火或 IGBT本身故障時,能夠迅速檢測到故障信息,并給出控制信號,切斷高壓。

作為機務保障人員,應該熟悉并掌握高電位驅動、IGBT組件均壓、IGBT組件控保這三部分的電路,以便在實際工作中快速作出故障判斷?；谝陨戏治?后文將介紹 2次有關于 IGBT的故障維護。

3 畢節新一代天氣雷達 IGBT故障思考

3.1 IGBT損壞引起“高壓過流”

故障現象：2008年 8月 18日 16時,雷達系統在顯示“準加高壓”狀態下,加高壓的瞬間,雷達電源空氣開關跳閘,報“高壓過流”故障。

故障處理：檢查發射機調制機柜,開關電源Ⅰ、Ⅱ提供的高壓電壓為 2.5KV,正常;再檢查預調器輸入到剛調Ⅰ、Ⅱ的觸發脈沖,正常;進一步檢查調制器開關 IGBT,發現均壓板有被燒壞的痕跡,懷疑其對應的 IGBT業已損壞。檢測時為避免影響檢測的準確度,先將 IGBT管三只引腳短路放電,采用數字萬用表“二極管”擋來測量 PN結正向壓降進行判斷,繼續用指針萬用表的兩枝表筆正反測 G、e兩極及 G、c兩極的電阻,得 IGBT管三個引腳間電阻均很小,說明該管已擊穿損壞。更換兩只 IGBT和均壓板,故障排除,發射機恢復正常。

故障分析：714CDN雷達高壓調制體制,采用剛性調制器,即“開關電源 +IGBT剛性調制器 +大功率儲能電容”的調制方式。剛性調制器內的 IGBT出現動態均壓不平衡,在負載速調管打火時反射信號疊加到調制器上,瞬時電壓過高損壞均壓板后引起 IGBT被電壓擊穿。

3.2 IGBT損壞引起開關電源故障

故障現象：2008年 8月 23日,雷達系統無法正常加高壓,系統復位后,報“高壓電流”故障。

故障處理：檢查發射機調制機柜面板,開關電源Ⅰ出現故障。打開機柜,首先檢查驅動板的插頭座 X1接觸是否良好,VD1是否被擊穿,若正常,再檢查 IGBT驅動板電路 (JL2.870.022),發現 Q2、Q3兩個 EXB841模塊及對應上方的電阻有被燒壞的痕跡,對照開關電源Ⅰ電原理圖 (JL.2.933.239DL),經萬用表檢測,其對應的 IGBT模塊已擊穿損壞。更換已損壞器件,檢查 IGBT的觸發信號,故障排除。

故障分析：可能原因有兩種,其一、驅動模塊輸出波形變形嚴重,關斷 IGBT的負脈沖幅度變低,導致截止的 IGBT誤導通,造成橋臂直通,瞬時熱量增加,造成 IGBT模塊擊穿及 EXB841模塊損壞。其二、在出現過流時,EXB841將正常的驅動信號變成一系列降幅脈沖實現 IGBT的軟關斷,但不能封鎖輸入的 PWM控制信號。須在發生真正的過流時,用觸發器鎖定故障輸出信號,用外部電路實現對系統的保護和停機。軟關斷不可靠,檢測到過流后,EXB841有較長的軟關斷時間,導致保護動作慢,保護效果變差,最終導致驅動模塊和 IGBT模塊的損壞。

3.3 關于臺站級 IGBT的維護思考

總結經驗,在實際工作中導致 IGBT損壞的原因主要有 3種形式：集電極和發射極過壓引起 IGBT擊穿、過熱損壞、柵極過壓損壞。

集電極和發射極過壓,主要由于負載短路后,引起變壓器初級電流過大,變壓器漏感產生的反電勢過大,造成 IGBT的損壞。這是上文中主要涉及的問題,以下將討論后 2種導致 IGBT損壞的原因及注意事項。

散熱問題：選用 IGBT模塊時額定電流應大于負載電流,特別是用作高頻開關時,由于開關損耗增大,發熱劇烈,在安裝或更換 IGBT模塊時,應當重視 IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態。為了減少接觸熱阻,必須在散熱器與 IGBT模塊間涂抹導熱硅脂。同時,機柜中必須安裝有散熱風扇,機務人員應當對散熱風扇定期進行檢查。

柵極過壓：由于 IGBT模塊為 MOSFET結構,柵極通過一層氧化膜與發射極實現電隔離。因為氧化膜很薄,其擊穿電壓一般達到 20～30V。所以靜電導致柵極擊穿是 IGBT失效的常見原因之一。使用中要注意以下幾點：在使用模塊時,盡量不要用手觸摸驅動端子部分,當必須要觸摸模塊端子時,要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后,再觸摸;在用導電材料連接模塊驅動端子時,在配線未接好之前請切忌接上模塊;盡量在底板良好接地的情況下操作。

4 結語

IGBT的諸多優良特性,使其得到了快速的發展,已在電力電子各方面得到廣泛應用,包括新一代天氣雷達的脈沖調制器。因此熟悉 IGBT模塊性能,針對其過壓、過熱、抗沖擊、抗干擾承受力較低等特點,了解參數選擇及使用時的注意事項,對實際工作中的應用是十分必要的。作為機務保障人員,只有規范運行,才能確保使用中安全性和可靠性,這亦是無疑的。

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2010-02-09

龔雪鵬 (1984-),男,助工,主要從事雷達運行保障工作。