淺談 C INRAD/CD雷達(dá) IGBT故障控制及維護(hù)

龔雪鵬,文繼國(guó),武孔亮,吳勁松

(1.貴州省畢節(jié)地區(qū)氣象局,貴州 畢節(jié) 551700;2.成都信息工程學(xué)院,四川 成都 610225)

淺談 C INRAD/CD雷達(dá) IGBT故障控制及維護(hù)

龔雪鵬1,文繼國(guó)2,武孔亮1,吳勁松1

(1.貴州省畢節(jié)地區(qū)氣象局,貴州 畢節(jié) 551700;2.成都信息工程學(xué)院,四川 成都 610225)

新一代天氣雷達(dá)的脈沖調(diào)制器性能直接影響到雷達(dá)的正常業(yè)務(wù)運(yùn)行,因此其維護(hù)也日益受到重視。以畢節(jié)新一代天氣雷達(dá)脈沖調(diào)制器維護(hù)為個(gè)例,分析調(diào)制開關(guān)故障原因。結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn),從業(yè)務(wù)實(shí)際出發(fā),對(duì)脈沖調(diào)制器的使用維護(hù)及工作狀態(tài)提出一些建議。希望對(duì)我省其他 C INRAD/CD雷達(dá)有一定的借鑒,以提高新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行質(zhì)量。

C INRAD/CD雷達(dá);脈沖調(diào)制器;IGBT

1 引言

畢節(jié)新一代天氣雷達(dá)為 714CDN全相參多普勒天氣雷達(dá),其發(fā)射系統(tǒng)為主振放大式發(fā)射機(jī),由微波固態(tài)功率放大器和高增益脈沖速調(diào)管級(jí)聯(lián)而成。它將來自頻綜的小功率射頻脈沖信號(hào),放大成滿足要求的大功率射頻脈沖信號(hào),然后經(jīng)天線系統(tǒng)向空間輻射,完成探測(cè)氣象信息的目的。

本發(fā)射機(jī)的調(diào)制器為采用大功率 IGBT模塊作調(diào)制開關(guān)的剛性調(diào)制器,有利于實(shí)現(xiàn)雙重復(fù)頻率工作 (雙 PRF)及脈寬轉(zhuǎn)換功能。調(diào)制器電源采用高壓開關(guān)電源,可有效消除雙 PRF工作時(shí)的幅差,穩(wěn)壓精度及可靠性高。同時(shí),系統(tǒng)監(jiān)控采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)全機(jī)控制保護(hù)及信息傳遞。

本文結(jié)合脈沖調(diào)制器的原理分析,針對(duì)工作中實(shí)際個(gè)例,對(duì)全固態(tài)剛性開關(guān)調(diào)制器的故障控制及維護(hù)作出一些初淺的建議。

2 脈沖調(diào)制器的組成和工作原理

2.1 原理結(jié)構(gòu)

脈沖調(diào)制器主要由調(diào)制開關(guān)、儲(chǔ)能元件、隔離元件和充電旁通元件等 4部分組成,負(fù)載就是微波源。其工作原理見圖 1。

脈沖調(diào)制器的工作過程可分為充電和放電 2個(gè)階段,這 2個(gè)階段的轉(zhuǎn)換由調(diào)制開關(guān)控制,調(diào)制開關(guān)斷開期間,高壓電源通過隔離元件和充電旁通元件向儲(chǔ)能元件充電。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí),調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通,儲(chǔ)能元件通過調(diào)制開關(guān)和脈沖變壓器初級(jí)放電,使負(fù)載工作,此時(shí)產(chǎn)生大功率微波脈沖信號(hào)經(jīng)過饋線系統(tǒng)送往天線。

圖 1 脈沖調(diào)制器原理方框圖

2.2 調(diào)制開關(guān)部分

雷達(dá)發(fā)射機(jī)中常用的脈沖調(diào)制器主要有 2種,一種是軟性開關(guān)的人工線調(diào)制器,另一種是剛性開關(guān)的電容儲(chǔ)能部分放電式調(diào)制器。

軟性開關(guān)調(diào)制器的特點(diǎn)是依靠仿真線放電形成調(diào)制脈沖,脈沖寬度固定且只與仿真線參數(shù)有關(guān),寬度為 2n,其中n為仿真線節(jié)數(shù),L0、C0分別為仿真線每節(jié)的電感和電容值。即使采用多組人工線對(duì)脈寬進(jìn)行變換,仍將存在人工線的切換問題,因此很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)形式。

綜上所述,全固態(tài)的調(diào)制器一直是真空管發(fā)射機(jī)研制中所追求的目標(biāo),其采用電容器作為儲(chǔ)能元件,真空管的導(dǎo)通和截止都嚴(yán)格受脈沖調(diào)制器的控制,轉(zhuǎn)換非常迅速,具有良好的開關(guān)性能,脈寬基本由激勵(lì)脈沖所決定。

本站 714CDN雷達(dá)采用的是 IGBT剛性調(diào)制器,下文將做簡(jiǎn)單介紹。

2.3 IGBT作為剛性開關(guān)調(diào)制器

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型功率管。根據(jù)其電力電氣的特點(diǎn),值得注意的是：IGBT單個(gè)器件的耐壓等級(jí)較低,故實(shí)際雷達(dá)工作中為 IGBT的串聯(lián)運(yùn)行。同時(shí),由于發(fā)射機(jī)的微波發(fā)射管的工作電壓較高可達(dá)幾十千伏,采用IGBT作為開關(guān)的調(diào)制器一般要采用脈沖變壓器升壓。

綜上所述,不難發(fā)現(xiàn)：采用大功率 IGBT模塊作調(diào)制開關(guān)的剛性調(diào)制器將一直處于工作電壓高、脈沖電流大、級(jí)聯(lián)組件多的工作狀態(tài)下,因此在故障維護(hù)及日常維護(hù)中,應(yīng)該將著重注意以下幾點(diǎn)：

①對(duì)于串聯(lián) IGBT組件來說,必須保證每個(gè) IGBT模塊能觸發(fā)。同時(shí),在畢節(jié) 714CDN雷達(dá)中,為了獲取較陡峭的脈沖前后沿,其采用富士公司生產(chǎn)的混合集成電路 EXB841對(duì) IGBT模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng) (電路參數(shù)詳見 784廠電原理圖冊(cè) JL.2.870.023DL)。

②IGBT組件均壓?jiǎn)栴}。由于工程技術(shù)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(huán)境中,勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)電壓尖峰和 IGBT模塊上電流、電壓不均的現(xiàn)象?；谏鲜龇治?首先要求臺(tái)站機(jī)務(wù)人員熟悉均壓電路板,其次在故障排除時(shí)應(yīng)盡量選用型號(hào)一致、特性一致的 IGBT模塊進(jìn)行更換。

③控制保護(hù)電路 (JL.933.239DL)。實(shí)時(shí)地對(duì)串聯(lián) IGBT組件的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),以確保在速調(diào)管打火或 IGBT本身故障時(shí),能夠迅速檢測(cè)到故障信息,并給出控制信號(hào),切斷高壓。

作為機(jī)務(wù)保障人員,應(yīng)該熟悉并掌握高電位驅(qū)動(dòng)、IGBT組件均壓、IGBT組件控保這三部分的電路,以便在實(shí)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(guān)于 IGBT的故障維護(hù)。

3 畢節(jié)新一代天氣雷達(dá) IGBT故障思考

3.1 IGBT損壞引起“高壓過流”

故障現(xiàn)象：2008年 8月 18日 16時(shí),雷達(dá)系統(tǒng)在顯示“準(zhǔn)加高壓”狀態(tài)下,加高壓的瞬間,雷達(dá)電源空氣開關(guān)跳閘,報(bào)“高壓過流”故障。

故障處理：檢查發(fā)射機(jī)調(diào)制機(jī)柜,開關(guān)電源Ⅰ、Ⅱ提供的高壓電壓為 2.5KV,正常;再檢查預(yù)調(diào)器輸入到剛調(diào)Ⅰ、Ⅱ的觸發(fā)脈沖,正常;進(jìn)一步檢查調(diào)制器開關(guān) IGBT,發(fā)現(xiàn)均壓板有被燒壞的痕跡,懷疑其對(duì)應(yīng)的 IGBT業(yè)已損壞。檢測(cè)時(shí)為避免影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度,先將 IGBT管三只引腳短路放電,采用數(shù)字萬用表“二極管”擋來測(cè)量 PN結(jié)正向壓降進(jìn)行判斷,繼續(xù)用指針萬用表的兩枝表筆正反測(cè) G、e兩極及 G、c兩極的電阻,得 IGBT管三個(gè)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(fā)射機(jī)恢復(fù)正常。

故障分析：714CDN雷達(dá)高壓調(diào)制體制,采用剛性調(diào)制器,即“開關(guān)電源 +IGBT剛性調(diào)制器 +大功率儲(chǔ)能電容”的調(diào)制方式。剛性調(diào)制器內(nèi)的 IGBT出現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓不平衡,在負(fù)載速調(diào)管打火時(shí)反射信號(hào)疊加到調(diào)制器上,瞬時(shí)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(guān)電源故障

故障現(xiàn)象：2008年 8月 23日,雷達(dá)系統(tǒng)無法正常加高壓,系統(tǒng)復(fù)位后,報(bào)“高壓電流”故障。

故障處理：檢查發(fā)射機(jī)調(diào)制機(jī)柜面板,開關(guān)電源Ⅰ出現(xiàn)故障。打開機(jī)柜,首先檢查驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)板電路 (JL2.870.022),發(fā)現(xiàn) Q2、Q3兩個(gè) EXB841模塊及對(duì)應(yīng)上方的電阻有被燒壞的痕跡,對(duì)照開關(guān)電源Ⅰ電原理圖 (JL.2.933.239DL),經(jīng)萬用表檢測(cè),其對(duì)應(yīng)的 IGBT模塊已擊穿損壞。更換已損壞器件,檢查 IGBT的觸發(fā)信號(hào),故障排除。

故障分析：可能原因有兩種,其一、驅(qū)動(dòng)模塊輸出波形變形嚴(yán)重,關(guān)斷 IGBT的負(fù)脈沖幅度變低,導(dǎo)致截止的 IGBT誤導(dǎo)通,造成橋臂直通,瞬時(shí)熱量增加,造成 IGBT模塊擊穿及 EXB841模塊損壞。其二、在出現(xiàn)過流時(shí),EXB841將正常的驅(qū)動(dòng)信號(hào)變成一系列降幅脈沖實(shí)現(xiàn) IGBT的軟關(guān)斷,但不能封鎖輸入的 PWM控制信號(hào)。須在發(fā)生真正的過流時(shí),用觸發(fā)器鎖定故障輸出信號(hào),用外部電路實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)和停機(jī)。軟關(guān)斷不可靠,檢測(cè)到過流后,EXB841有較長(zhǎng)的軟關(guān)斷時(shí)間,導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作慢,保護(hù)效果變差,最終導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)模塊和 IGBT模塊的損壞。

3.3 關(guān)于臺(tái)站級(jí) IGBT的維護(hù)思考

總結(jié)經(jīng)驗(yàn),在實(shí)際工作中導(dǎo)致 IGBT損壞的原因主要有 3種形式：集電極和發(fā)射極過壓引起 IGBT擊穿、過熱損壞、柵極過壓損壞。

集電極和發(fā)射極過壓,主要由于負(fù)載短路后,引起變壓器初級(jí)電流過大,變壓器漏感產(chǎn)生的反電勢(shì)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(dǎo)致 IGBT損壞的原因及注意事項(xiàng)。

散熱問題：選用 IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流,特別是用作高頻開關(guān)時(shí),由于開關(guān)損耗增大,發(fā)熱劇烈,在安裝或更換 IGBT模塊時(shí),應(yīng)當(dāng)重視 IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)。為了減少接觸熱阻,必須在散熱器與 IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。同時(shí),機(jī)柜中必須安裝有散熱風(fēng)扇,機(jī)務(wù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)散熱風(fēng)扇定期進(jìn)行檢查。

柵極過壓：由于 IGBT模塊為 MOSFET結(jié)構(gòu),柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。因?yàn)檠趸ず鼙?其擊穿電壓一般達(dá)到 20～30V。所以靜電導(dǎo)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(diǎn)：在使用模塊時(shí),盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分,當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí),要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后,再觸摸;在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí),在配線未接好之前請(qǐng)切忌接上模塊;盡量在底板良好接地的情況下操作。

4 結(jié)語

IGBT的諸多優(yōu)良特性,使其得到了快速的發(fā)展,已在電力電子各方面得到廣泛應(yīng)用,包括新一代天氣雷達(dá)的脈沖調(diào)制器。因此熟悉 IGBT模塊性能,針對(duì)其過壓、過熱、抗沖擊、抗干擾承受力較低等特點(diǎn),了解參數(shù)選擇及使用時(shí)的注意事項(xiàng),對(duì)實(shí)際工作中的應(yīng)用是十分必要的。作為機(jī)務(wù)保障人員,只有規(guī)范運(yùn)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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TN959.4

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1003-6598(2010)05-0032-03

2010-02-09

龔雪鵬 (1984-),男,助工,主要從事雷達(dá)運(yùn)行保障工作。