某型机HID着陆灯无法点亮问题分析

2017-01-07■王珂秦鹏于悦

中国军转民 2016年12期

关键词：场效应管管脚光源

■ 王珂秦鹏于悦

某型机HID着陆灯无法点亮问题分析

■ 王珂秦鹏于悦

针对某型机HID着陆灯无法点亮问题，分析了无法点亮的原因，制定了相应的改进措施，供参考。

1.引言

HID着陆灯的功能是为直升机着陆场地提供环境照明，光源具有可见和红外两种工作模式。HID着陆灯由活动灯罩组件[含HID控制组件、HID光源（可见）、LED光源（红外）]、防雷滤波器组件、壳体组件、继电器、带电机减速器组件、凸轮开关组件和插头座组成。

HID着陆灯在部队使用中发生无法点亮问题，影响直升机的作战训练。为此，分析HID着陆灯无法点亮的原因，并制定改进措施，以保证直升机作战训练任务的完成将显得非常重要。本文就此问题进行讨论。

2.HID控制原理

HID控制原理可划分为主芯片控制电路、电源EMC滤波、变压器升压DC-DC、倍压电路、点火电路、全桥逆变电路DC-AC输出等六个模块（见图1）。

图1 HID控制原理框

HID灯有两种工作状态，一种是启动状态，一种是稳定工作状态。

在启动状态时，电源输入DC28V，通过变压器升压，DC/DC变换（主芯片PWM控制），得到-400V的点火输入电压，再经全桥逆变电路转换成 400Hz交流电输入到HID光源。整个组件实现从电源到HID光源DC-DC-AC的转换。该点火输入电压启动由倍压电路产生+400V的，+400V和-400V加至点火高压包的初级，瞬间击穿放电管，在高压包的初级产生大电流，使高压包输出不小于23kV的点火电压，加入灯芯两端，使灯芯内气体电离发光。

启动成功之后，产品转入稳定工作状态。在稳定工作状态时，由主芯片PWM控制实现DC/DC变换，使变压器输出为约85V，再经全桥逆变电路转换成 400Hz、85V交流电输入到HID光源，维持HID光源稳定发光。

主芯片控制电路内置PWM软开关驱动电路，恒功率控制电路，异常保护电路，全桥输出驱动电路，以及启动时序控制电路等功能。

3.HID光源工作原理

HID光源由HID灯泡和点火电路组成，结构如图2所示。

图2 HID光源结构

HID灯泡（氙气灯即高亮度气体放电灯）是金属卤化物的高端顶级产品。

其发光原理和过程都很复杂，内部充有高纯稀有气体--氙气，并加入微量特定比例的金属卤化物。在瞬间高压下拉弧启动，被加速的电子碰撞灯内汽化并处于等离子态的金属离子，使其能级跃迁。

当激化态的离子外层电子回到低能级稳定态时，便发出该物质（如气态金属）的特征光谱，这里主要发出金属原子光谱。

HID灯泡的灯芯由外管和内管组成。灯芯的外管是由特殊的石英玻管制成。外管有两个作用：一是滤除大部分的紫外线，二是防爆裂。内管是由普通的熔凝石英制成的，其中的两个钨电极固定在两端。内管中充有氙气。工作时管内水银蒸发时，使管内压力有可能超过三十个标准大气压。氙气灯芯中充有氙气和金属卤化物，并且采用封口排气充氙气一体式工艺制造。

点火电路由触发电路和变压器组成，点火电路部分采用耐高压处理技术，氙气灯启动达两万多伏，耐高压处理采用一体化灌封方式，将触发器的触发电路和变压器全部灌封在灯泡的尾部。

图3 着陆灯不亮故障树

4.着陆灯不亮问题分析

4.1 问题描述

该型HID着陆灯在进行可靠性试验时，HID着陆灯出现灯不亮的故障。

由于试验电源未按照可靠性试验大纲要求配置，电源电流过小，初步定位认为本次故障是电源供电不足所引起，更换电源后，产品经温度应力循环试验摸底，故障未出现。该型着陆灯重新进行可靠性试验不久后，HID着陆灯再次出现同样故障。

4.2 故障定位

建立灯不亮问题故障树，见图3。

4.2.1 HID灯不亮问题故障定位

更换电源和操纵箱，灯仍然不亮，证明是HID灯故障，排除HID灯输入无电压的故障。

分解产品，更换新的HID光源后，产品仍不工作。说明故障定位于HID控制线路。用工作正常的HID印制板组件替换试验件的HID印制板组件后，产品工作正常，由此，定位到HID印制板组件故障。

用10倍放大镜检查HID印制板组件，未发现印制线和导线断的情况，排除印制线和导线断的故障。

4.2.2 进一步对故障的HID印制板组件进行核查：

（1）测量了-400V电压，证明DC/DC升压电路正常、电源滤波电路正常和主芯片控制电路正常；

（2）测量了+400V电压，证明倍压电路正常；

（3）检查全桥驱动电路，测量了4个(Q6、Q7、Q8、Q9)MOSFET场效应管，发现Q7的D与S之间的电阻为16.5Ω，正常为兆欧以上，由此判断MOSFET场效应管Q7损坏。更换新的MOSFET场效应管Q7，点灯灯不亮，进一步检查驱动线路U2的第27脚开路，随后同时更换驱动线路U2和MOSFET场效应管Q7，灯工作正常。由此定位故障为驱动线路U2和MOSFET场效应管Q7失效引起的。

图4 驱动线路故障树

4.3 失效机理分析

4.3.1 驱动线路U2失效机理分析

建立驱动线路U2故障树，见图4，排查如下：

（1）器件质量。驱动线路U2随产品进行了环境应力筛选以及高低温验收试验的考核，驱动线路同批次器件随其它产品在使用过程中未发生故障，可排除驱动线路U2器件质量问题。

（2）温度应力。驱动线路U2器件温度范围为-55℃～150℃，由于温度范围宽，主要为高温应力，但实测驱动线路U2周边温度最高的部分为HID灯泡，HID灯泡实测最高温度为110℃，未超过150℃。可排温度应力问题。

（3）电应力影响。HID着陆灯的U2失效分析报告所述：“驱动线路因第27管脚开路而失效，第27管脚与其它管脚之间均呈开路特性，且多个管脚之间也存在漏电现象”。启封镜检发现第27管脚的键合丝已熔断，第26、27、28管脚内键合点附近均存在过流烧毁痕迹，内部芯片多处与这三个管脚相关联的部位均存在过流痕迹。失效分析结论：该电路的失效是由于受到异常电应力，造成第27管脚流经大电流，键合丝熔断开路所致。

4.3.2 MOSFET场效应管Q7失效机理分析

建立MOSFET场效应管Q7故障树，见图5，排查如下：

图5 MOSFET场效应管Q7故障树

（1）器件质量。MOSFET场效应管Q7随产品进行了环境应力筛选以及高低温验收试验的考核，MOSFET场效应管Q7同批次器件随其它产品在使用过程中未发生故障，可排除MOSFET场效应管Q7器件质量问题。

（2）温度应力。MOSFET场效应管Q7器件温度范围为-55℃～150℃。由于温度范围宽，主要为高温应力，但实测MOSFET场效应管Q7周边温度最高的部分为HID灯泡，HID灯泡实测最高温度为110℃，未超过150℃。可排温度应力问题。

（3）电应力影响。该MOSFET场效应管经失效分析，认为：“该管子引出端之间电特性测试，管子第2端（S）与第3端（D）之间呈漏电特性。外部目检未见异常，超生清洗后漏电现象依然存在，排除了外部原因导致管子失效的可能性。开封目检芯片表面边角部位有烧毁形貌，该管子为MOSFET管，漏极为芯片背面引出，源、漏之间引入异常电压应力，会导致源、漏之间击穿，产生低阻通路，过大电流将芯片烧毁。分析结论：该是由于受到异常电压应力作用，导致芯片在薄弱部位击穿烧毁，管子无功能而失效。”

4.3.3 产生异常电应力的原因分析

经分析，认为HID控制线路原理设计存在如下不足（见图6）:

（1）如图6所示，R41、L4、L5、L6、L7，C64、C65、C66、C67组成的LRC电路在HID电路点火期间接近于振荡状态，产生过电压，幅值大于驱动线路U2耐压极限(550V)，导致驱动线路U2损坏。

（2）电阻R42、R43、R44、R45阻值过小(100欧)，设计裕量不足，上、下桥臂驱动死区时间过短（0.6µs），存在直通。

（3）施加高温和振动等综合应力时，存在不能点火的情况，电极电压不能泄放。