浅谈 C INRAD/CD雷达 IGBT故障控制及维护

龚雪鹏,文继国,武孔亮,吴劲松

(1.贵州省毕节地区气象局,贵州 毕节 551700;2.成都信息工程学院,四川 成都 610225)

浅谈 C INRAD/CD雷达 IGBT故障控制及维护

龚雪鹏1,文继国2,武孔亮1,吴劲松1

(1.贵州省毕节地区气象局,贵州 毕节 551700;2.成都信息工程学院,四川 成都 610225)

新一代天气雷达的脉冲调制器性能直接影响到雷达的正常业务运行,因此其维护也日益受到重视。以毕节新一代天气雷达脉冲调制器维护为个例,分析调制开关故障原因。结合工作经验,从业务实际出发,对脉冲调制器的使用维护及工作状态提出一些建议。希望对我省其他 C INRAD/CD雷达有一定的借鉴,以提高新一代天气雷达业务运行质量。

C INRAD/CD雷达;脉冲调制器;IGBT

1 引言

毕节新一代天气雷达为 714CDN全相参多普勒天气雷达,其发射系统为主振放大式发射机,由微波固态功率放大器和高增益脉冲速调管级联而成。它将来自频综的小功率射频脉冲信号,放大成满足要求的大功率射频脉冲信号,然后经天线系统向空间辐射,完成探测气象信息的目的。

本发射机的调制器为采用大功率 IGBT模块作调制开关的刚性调制器,有利于实现双重复频率工作 (双 PRF)及脉宽转换功能。调制器电源采用高压开关电源,可有效消除双 PRF工作时的幅差,稳压精度及可靠性高。同时,系统监控采用可编程控制器实现全机控制保护及信息传递。

本文结合脉冲调制器的原理分析,针对工作中实际个例,对全固态刚性开关调制器的故障控制及维护作出一些初浅的建议。

2 脉冲调制器的组成和工作原理

2.1 原理结构

脉冲调制器主要由调制开关、储能元件、隔离元件和充电旁通元件等 4部分组成,负载就是微波源。其工作原理见图 1。

脉冲调制器的工作过程可分为充电和放电 2个阶段,这 2个阶段的转换由调制开关控制,调制开关断开期间,高压电源通过隔离元件和充电旁通元件向储能元件充电。当触发脉冲到来时,调制开关导通,储能元件通过调制开关和脉冲变压器初级放电,使负载工作,此时产生大功率微波脉冲信号经过馈线系统送往天线。

图 1 脉冲调制器原理方框图

2.2 调制开关部分

雷达发射机中常用的脉冲调制器主要有 2种,一种是软性开关的人工线调制器,另一种是刚性开关的电容储能部分放电式调制器。

软性开关调制器的特点是依靠仿真线放电形成调制脉冲,脉冲宽度固定且只与仿真线参数有关,宽度为 2n,其中n为仿真线节数,L0、C0分别为仿真线每节的电感和电容值。即使采用多组人工线对脉宽进行变换,仍将存在人工线的切换问题,因此很难实现复杂的信号形式。

综上所述,全固态的调制器一直是真空管发射机研制中所追求的目标,其采用电容器作为储能元件,真空管的导通和截止都严格受脉冲调制器的控制,转换非常迅速,具有良好的开关性能,脉宽基本由激励脉冲所决定。

本站 714CDN雷达采用的是 IGBT刚性调制器,下文将做简单介绍。

2.3 IGBT作为刚性开关调制器

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型功率管。根据其电力电气的特点,值得注意的是：IGBT单个器件的耐压等级较低,故实际雷达工作中为 IGBT的串联运行。同时,由于发射机的微波发射管的工作电压较高可达几十千伏,采用IGBT作为开关的调制器一般要采用脉冲变压器升压。

综上所述,不难发现：采用大功率 IGBT模块作调制开关的刚性调制器将一直处于工作电压高、脉冲电流大、级联组件多的工作状态下,因此在故障维护及日常维护中,应该将着重注意以下几点：

①对于串联 IGBT组件来说,必须保证每个 IGBT模块能触发。同时,在毕节 714CDN雷达中,为了获取较陡峭的脉冲前后沿,其采用富士公司生产的混合集成电路 EXB841对 IGBT模块实现驱动 (电路参数详见 784厂电原理图册 JL.2.870.023DL)。

②IGBT组件均压问题。由于工程技术上的差异,IGBT模块之间也存在差异性,在如此大电压、大电流的环境中,势必会出现电压尖峰和 IGBT模块上电流、电压不均的现象。基于上述分析,首先要求台站机务人员熟悉均压电路板,其次在故障排除时应尽量选用型号一致、特性一致的 IGBT模块进行更换。

③控制保护电路 (JL.933.239DL)。实时地对串联 IGBT组件的工作状态进行检测,以确保在速调管打火或 IGBT本身故障时,能够迅速检测到故障信息,并给出控制信号,切断高压。

作为机务保障人员,应该熟悉并掌握高电位驱动、IGBT组件均压、IGBT组件控保这三部分的电路,以便在实际工作中快速作出故障判断。基于以上分析,后文将介绍 2次有关于 IGBT的故障维护。

3 毕节新一代天气雷达 IGBT故障思考

3.1 IGBT损坏引起“高压过流”

故障现象：2008年 8月 18日 16时,雷达系统在显示“准加高压”状态下,加高压的瞬间,雷达电源空气开关跳闸,报“高压过流”故障。

故障处理：检查发射机调制机柜,开关电源Ⅰ、Ⅱ提供的高压电压为 2.5KV,正常;再检查预调器输入到刚调Ⅰ、Ⅱ的触发脉冲,正常;进一步检查调制器开关 IGBT,发现均压板有被烧坏的痕迹,怀疑其对应的 IGBT业已损坏。检测时为避免影响检测的准确度,先将 IGBT管三只引脚短路放电,采用数字万用表“二极管”挡来测量 PN结正向压降进行判断,继续用指针万用表的两枝表笔正反测 G、e两极及 G、c两极的电阻,得 IGBT管三个引脚间电阻均很小,说明该管已击穿损坏。更换两只 IGBT和均压板,故障排除,发射机恢复正常。

故障分析：714CDN雷达高压调制体制,采用刚性调制器,即“开关电源 +IGBT刚性调制器 +大功率储能电容”的调制方式。刚性调制器内的 IGBT出现动态均压不平衡,在负载速调管打火时反射信号叠加到调制器上,瞬时电压过高损坏均压板后引起 IGBT被电压击穿。

3.2 IGBT损坏引起开关电源故障

故障现象：2008年 8月 23日,雷达系统无法正常加高压,系统复位后,报“高压电流”故障。

故障处理：检查发射机调制机柜面板,开关电源Ⅰ出现故障。打开机柜,首先检查驱动板的插头座 X1接触是否良好,VD1是否被击穿,若正常,再检查 IGBT驱动板电路 (JL2.870.022),发现 Q2、Q3两个 EXB841模块及对应上方的电阻有被烧坏的痕迹,对照开关电源Ⅰ电原理图 (JL.2.933.239DL),经万用表检测,其对应的 IGBT模块已击穿损坏。更换已损坏器件,检查 IGBT的触发信号,故障排除。

故障分析：可能原因有两种,其一、驱动模块输出波形变形严重,关断 IGBT的负脉冲幅度变低,导致截止的 IGBT误导通,造成桥臂直通,瞬时热量增加,造成 IGBT模块击穿及 EXB841模块损坏。其二、在出现过流时,EXB841将正常的驱动信号变成一系列降幅脉冲实现 IGBT的软关断,但不能封锁输入的 PWM控制信号。须在发生真正的过流时,用触发器锁定故障输出信号,用外部电路实现对系统的保护和停机。软关断不可靠,检测到过流后,EXB841有较长的软关断时间,导致保护动作慢,保护效果变差,最终导致驱动模块和 IGBT模块的损坏。

3.3 关于台站级 IGBT的维护思考

总结经验,在实际工作中导致 IGBT损坏的原因主要有 3种形式：集电极和发射极过压引起 IGBT击穿、过热损坏、栅极过压损坏。

集电极和发射极过压,主要由于负载短路后,引起变压器初级电流过大,变压器漏感产生的反电势过大,造成 IGBT的损坏。这是上文中主要涉及的问题,以下将讨论后 2种导致 IGBT损坏的原因及注意事项。

散热问题：选用 IGBT模块时额定电流应大于负载电流,特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热剧烈,在安装或更换 IGBT模块时,应当重视 IGBT模块与散热片的接触面状态。为了减少接触热阻,必须在散热器与 IGBT模块间涂抹导热硅脂。同时,机柜中必须安装有散热风扇,机务人员应当对散热风扇定期进行检查。

栅极过压：由于 IGBT模块为 MOSFET结构,栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。因为氧化膜很薄,其击穿电压一般达到 20～30V。所以静电导致栅极击穿是 IGBT失效的常见原因之一。使用中要注意以下几点：在使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸;在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请切忌接上模块;尽量在底板良好接地的情况下操作。

4 结语

IGBT的诸多优良特性,使其得到了快速的发展,已在电力电子各方面得到广泛应用,包括新一代天气雷达的脉冲调制器。因此熟悉 IGBT模块性能,针对其过压、过热、抗冲击、抗干扰承受力较低等特点,了解参数选择及使用时的注意事项,对实际工作中的应用是十分必要的。作为机务保障人员,只有规范运行,才能确保使用中安全性和可靠性,这亦是无疑的。

[1] 何建新 .现代天气雷达[M].四川：电子科技大学出版社,2004.

[2] 焦中生,沈超玲,等 .气象雷达原理[M].北京：气象出版社,2005.

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TN959.4

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1003-6598(2010)05-0032-03

2010-02-09

龚雪鹏 (1984-),男,助工,主要从事雷达运行保障工作。