雷登林，田 程，鐘 健

(貴州省貴陽市多普勒天氣雷達(dá)站，貴州 貴陽 550001)

CINRAD/CD 天氣雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)故障解析

雷登林，田 程，鐘 健

(貴州省貴陽市多普勒天氣雷達(dá)站，貴州 貴陽 550001)

借助CINRAD/CD天氣雷達(dá)的雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控，通過其報(bào)警狀態(tài)信息，再通過觀察其器件外觀狀態(tài)、及利用儀器儀表的檢測(cè)分析，能落實(shí)故障器件的定位。對(duì)于較復(fù)雜的或涉及片級(jí)元器件的故障，則需在透徹理解雷達(dá)電路原理的基礎(chǔ)上逐級(jí)檢測(cè)分析，直至查找出并修復(fù)故障。

IGBT;EXB841;脈寬調(diào)制器;燈絲偏磁分機(jī)

1 前言

貴陽新一代天氣雷達(dá)于2001年吊裝完成，至今已運(yùn)行11 a時(shí)間。在雷達(dá)運(yùn)行期間，貴陽雷達(dá)出現(xiàn)大小故障40余次，而發(fā)射系統(tǒng)是雷達(dá)各子系統(tǒng)中故障出得比較多的子系統(tǒng)，出現(xiàn)故障達(dá)17次，接近故障總數(shù)的一半，而發(fā)射系統(tǒng)的開關(guān)電源、調(diào)制器、預(yù)調(diào)器、燈絲偏磁電源分機(jī)等重要部件則是故障頻繁。發(fā)射系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)通常導(dǎo)致電子元器件的徹底燒壞，因此應(yīng)竭力避免出現(xiàn)這樣的后果，而定期對(duì)發(fā)射部分器件的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)整就顯得必不可少。本文選取了幾例我站天氣雷達(dá)出現(xiàn)的發(fā)射系統(tǒng)故障，并逐一介紹其分析、檢查及處理過程。

2 故障維修

2.1 實(shí)例故障維修個(gè)例1

開關(guān)電源I內(nèi)IGBT燒壞。故障現(xiàn)象：開高壓，發(fā)射系統(tǒng)報(bào)“開關(guān)電源”故障。

檢查過程：①開低壓，無低壓故障;延時(shí)15 min，準(zhǔn)加指示燈亮。表明低壓工作正常。②關(guān)預(yù)調(diào)器電源，先后取下IGBT調(diào)制分機(jī)，用三用表(200 k檔)檢查兩路IGBT調(diào)制分機(jī)中的IGBT模塊，均正常。③開低壓，按開關(guān)電源Ⅰ面板上的“開”開關(guān)，用示波器檢查開關(guān)電源Ⅰ面板脈沖檢查插座上的波形，為20 kHz的方波。表明開關(guān)電源觸發(fā)產(chǎn)生環(huán)節(jié)正常。④取下開關(guān)電源I分機(jī)(之前應(yīng)取下對(duì)應(yīng)的插頭)。用三用表(置200 k檔)測(cè)量全橋變換器的兩個(gè)IGBT模塊 V1、V2上，兩只 IGBT的 C1、E1及C2(E1)、E2兩端的阻值。有一只的均為0 Ω。表明該IGBT模塊已損壞。

更換IGBT后，檢查IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖。檢查方法：將～220 V電源接入取下的開關(guān)電源Ⅰ分機(jī)電源變壓器T1的1、2腳。按開關(guān)電源Ⅰ面板上的“開”開關(guān)，用示波器檢查IGBT V1、V2上的驅(qū)動(dòng)波形(探頭正端接G，負(fù)端接E)。正常情況下，V1：G1-E1與V2：G2-E2波形應(yīng)一致，而V1：G2-E2與V2：G1-E1波形應(yīng)一致，兩組波形的時(shí)間關(guān)系如圖1所示。

圖1 全橋變換囂IGBT的驅(qū)動(dòng)波形

經(jīng)查V1：G1-E1無驅(qū)動(dòng)脈沖波形，其余的波形均正常。開關(guān)電源Ⅰ分機(jī)控制板產(chǎn)生的脈寬調(diào)制脈沖送驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行隔離、放大，輸出至各IGBT的柵極。檢查驅(qū)動(dòng)板，發(fā)現(xiàn)V1：G1-E1對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路R3燒毀、爆開，EXB841損壞。更換R3及損壞的EXB 841后，接通電源，該路驅(qū)動(dòng)脈沖依然不正常。測(cè)試EXB 841的2、10腳之間電壓為0V，整流橋輸出電壓約+28 V。表明三端穩(wěn)壓器CW 117損壞。更換三端穩(wěn)壓器，重新進(jìn)行驅(qū)動(dòng)脈沖測(cè)試，各處驅(qū)動(dòng)波形及其時(shí)間關(guān)系均正常。將開關(guān)電源I分機(jī)恢復(fù)正常位置并接好相關(guān)插頭。按正常程序開高壓，開關(guān)電源輸出正常，發(fā)射系統(tǒng)工作正常。

開關(guān)電源I內(nèi)IGBT的燒壞，與開關(guān)電源I內(nèi)驅(qū)動(dòng)板上4路EXB 841驅(qū)動(dòng)芯片的輸出關(guān)聯(lián)性很高，因此對(duì)EXB 841驅(qū)動(dòng)芯片的輸出提出以下要求：

①觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要陡峭;

②柵極串連電阻Rg要恰當(dāng)。Rg過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高;Rg過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大;

③柵射電壓要適當(dāng)。增大柵射正偏壓對(duì)減小開通損耗和導(dǎo)通損耗有利，但也會(huì)使管子承受短路電流的時(shí)間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此，正偏壓要適當(dāng)，通常為+15 V。為了保證在C-E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓，以防止受到干擾時(shí)誤開通和加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗，幅值一般為-(5～10)V;

④當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。

為實(shí)現(xiàn)上述要求，必須對(duì)基于EXB 841驅(qū)動(dòng)芯片的電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整4路驅(qū)動(dòng)電路的電位器RP*(* 為1、2、3、4)，可以改變柵極串連電阻Rg的阻值，取得滿足IGBT正常工作的驅(qū)動(dòng)脈沖，圖2為基于EXB841驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)電路輸出的兩種驅(qū)動(dòng)波形：左為不正常輸出驅(qū)動(dòng)波形、右為調(diào)整后正常輸出的驅(qū)動(dòng)波形。

圖2 EXB 841驅(qū)動(dòng)電路的兩種驅(qū)動(dòng)波形

2.2故障維修個(gè)例2

開關(guān)電源I內(nèi)控制板上脈寬調(diào)制器電路N2(型號(hào)SG 3526或SG 1526)閉環(huán)失效引起的“開關(guān)電源”故障。故障現(xiàn)象：監(jiān)控分機(jī)面板上的高壓電壓指示超過額定值并報(bào)“開關(guān)電源”故障。

原因分析：開關(guān)電源電壓指示是利用調(diào)制柜取樣板對(duì)高壓進(jìn)行電流取樣，將高壓電壓變成微安級(jí)電流，100 mA電流表(表的刻度盤改造成滿度5 kV)來指示高壓電壓的。當(dāng)并聯(lián)在電流表兩端的電位器開路時(shí)，高壓指示將打表，但這時(shí)真正的高壓電壓并不增加或減小。從脈寬調(diào)制型開關(guān)電源穩(wěn)壓原理來看，開關(guān)電源Ⅱ取樣板上的電阻R1、R2(均為2mΩ電阻)與開關(guān)電源Ⅰ面板上的高壓調(diào)節(jié)電位器RP1(阻值為5 kΩ)構(gòu)成了取樣電路，RP1中間點(diǎn)就是取樣信號(hào)輸出端，如圖3所示，開關(guān)電源高壓電壓為U0，取樣電壓U'0。閉環(huán)穩(wěn)壓時(shí)，取樣電壓U'0應(yīng)為控制板上脈寬調(diào)制器N 2-1上的電壓，本電路中該電壓為2.5 V。根據(jù)串聯(lián)電路的分壓關(guān)系：

圖3 穩(wěn)壓關(guān)系示意圖

遇到高壓過高(超過3 kV)時(shí)，應(yīng)立即按開關(guān)電源Ⅰ面板上的“關(guān)”開關(guān)，將寬調(diào)制器輸出的觸發(fā)切斷，避免發(fā)生更大的故障。

檢查過程：①在開關(guān)電源Ⅰ面板上，按“開”開關(guān)，檢查開關(guān)電源觸發(fā)，正常。②檢查高壓指示電路，正常。③檢查高壓取樣環(huán)節(jié)開關(guān)電源Ⅱ取樣板上的電阻R1、R2正常(均為2mΩ);檢查開關(guān)電源Ⅰ面板上的高壓調(diào)節(jié)電位器RP1正常;將2.5 V電壓送入射隨器N1，工作正常;最后懷疑脈寬調(diào)制器電路N2閉環(huán)失效，輸出觸發(fā)脈沖寬度最寬(約20 μs)，導(dǎo)致高壓過高。

更換脈寬調(diào)制器電路 N2(型號(hào) SG3526或SG1526)后，按程序檢查觸發(fā)脈沖正常，開高壓，穩(wěn)壓正常。

2.3 故障維修個(gè)例3

燈絲偏磁分機(jī)控保電路引起的“燈絲欠流”或“燈絲過流”故障。故障現(xiàn)象：雷達(dá)報(bào)“燈絲欠流”或“燈絲過流”故障，不能加高壓。

檢查過程：由于燈絲偏磁分機(jī)的主要功能就是為速調(diào)管燈絲、高變比脈沖變壓器提供工作電源，所以故障很可能發(fā)生在燈絲偏磁分機(jī)。首先觀察燈絲偏磁分機(jī)面板上的燈絲電流電壓指示值，正常;檢查變壓器次級(jí)整流橋堆(KBPC2504)為速調(diào)管燈絲提供的偏磁正電壓，正常;再檢查燈絲保護(hù)電路中有關(guān)取樣電壓。開低壓預(yù)熱后，測(cè)試燈絲欠流和過流保護(hù)取樣電阻RP2、RP4電壓均為0 V，而插槽的17、19腳的燈絲保護(hù)采樣輸入有電壓輸入為5.8 V。懷疑是電路公共部分有故障，檢測(cè)比較放大器N1的1、7腳，無輸出，初步判定N1性能欠佳。更換N1后，采樣電壓正常，燈絲欠流和過流故障消失，雷達(dá)工作正常。檢測(cè)記錄關(guān)鍵點(diǎn)的參考值如下：燈絲保護(hù)采樣輸入電壓5.8 V，欠流保護(hù)RP2基準(zhǔn)電壓為5.5 V，過流基準(zhǔn)RP4電壓為7.0 V，有±5%左右的變化屬正?，F(xiàn)象。

原因分析：速調(diào)管燈絲控保電路的比較放大器性能不良，燈絲欠流或過流采樣電壓誤差造成故障報(bào)警，不允許加高壓。

3 小結(jié)

根據(jù)電原理圖，分析信號(hào)流程，逐級(jí)排查系統(tǒng)電路中的電元源器件，實(shí)現(xiàn)片級(jí)元器件的檢測(cè);記錄雷達(dá)正常工作時(shí)的狀態(tài)參數(shù)，可在故障排查時(shí)進(jìn)行對(duì)比，能較大的提高排除故障時(shí)的效率;定期對(duì)系統(tǒng)做到細(xì)致全面的維護(hù)、利用萬用表、示波器等儀器檢測(cè)雷達(dá)重要器件的參數(shù)并調(diào)整其到最佳狀態(tài)，能最大限度的保證雷達(dá)正常運(yùn)行。

［1］ 曹書強(qiáng).基于EXB841的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路研究［J］.電源世界，

P458.1+21.1

B

1003-6598(2012)04-0055-03

2012-07-12

雷登林(1976—)，男，工程師，主要從事雷達(dá)技術(shù)保障與探測(cè)工作。