CINRAD/CD 天氣雷達發射系統故障解析

雷登林，田 程，鐘 健

(貴州省貴陽市多普勒天氣雷達站，貴州 貴陽 550001)

CINRAD/CD 天氣雷達發射系統故障解析

雷登林，田 程，鐘 健

(貴州省貴陽市多普勒天氣雷達站，貴州 貴陽 550001)

借助CINRAD/CD天氣雷達的雷達狀態監控，通過其報警狀態信息，再通過觀察其器件外觀狀態、及利用儀器儀表的檢測分析，能落實故障器件的定位。對于較復雜的或涉及片級元器件的故障，則需在透徹理解雷達電路原理的基礎上逐級檢測分析，直至查找出并修復故障。

IGBT;EXB841;脈寬調制器;燈絲偏磁分機

1 前言

貴陽新一代天氣雷達于2001年吊裝完成，至今已運行11 a時間。在雷達運行期間，貴陽雷達出現大小故障40余次，而發射系統是雷達各子系統中故障出得比較多的子系統，出現故障達17次，接近故障總數的一半，而發射系統的開關電源、調制器、預調器、燈絲偏磁電源分機等重要部件則是故障頻繁。發射系統出現故障時通常導致電子元器件的徹底燒壞，因此應竭力避免出現這樣的后果，而定期對發射部分器件的狀態參數進行檢測與調整就顯得必不可少。本文選取了幾例我站天氣雷達出現的發射系統故障，并逐一介紹其分析、檢查及處理過程。

2 故障維修

2.1 實例故障維修個例1

開關電源I內IGBT燒壞。故障現象：開高壓，發射系統報“開關電源”故障。

檢查過程：①開低壓，無低壓故障;延時15 min，準加指示燈亮。表明低壓工作正常。②關預調器電源，先后取下IGBT調制分機，用三用表(200 k檔)檢查兩路IGBT調制分機中的IGBT模塊，均正常。③開低壓，按開關電源Ⅰ面板上的“開”開關，用示波器檢查開關電源Ⅰ面板脈沖檢查插座上的波形，為20 kHz的方波。表明開關電源觸發產生環節正常。④取下開關電源I分機(之前應取下對應的插頭)。用三用表(置200 k檔)測量全橋變換器的兩個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驅動脈沖。檢查方法：將～220 V電源接入取下的開關電源Ⅰ分機電源變壓器T1的1、2腳。按開關電源Ⅰ面板上的“開”開關，用示波器檢查IGBT V1、V2上的驅動波形(探頭正端接G，負端接E)。正常情況下，V1：G1-E1與V2：G2-E2波形應一致，而V1：G2-E2與V2：G1-E1波形應一致，兩組波形的時間關系如圖1所示。

圖1 全橋變換囂IGBT的驅動波形

經查V1：G1-E1無驅動脈沖波形，其余的波形均正常。開關電源Ⅰ分機控制板產生的脈寬調制脈沖送驅動板進行隔離、放大，輸出至各IGBT的柵極。檢查驅動板，發現V1：G1-E1對應的驅動電路R3燒毀、爆開，EXB841損壞。更換R3及損壞的EXB 841后，接通電源，該路驅動脈沖依然不正常。測試EXB 841的2、10腳之間電壓為0V，整流橋輸出電壓約+28 V。表明三端穩壓器CW 117損壞。更換三端穩壓器，重新進行驅動脈沖測試，各處驅動波形及其時間關系均正常。將開關電源I分機恢復正常位置并接好相關插頭。按正常程序開高壓，開關電源輸出正常，發射系統工作正常。

開關電源I內IGBT的燒壞，與開關電源I內驅動板上4路EXB 841驅動芯片的輸出關聯性很高，因此對EXB 841驅動芯片的輸出提出以下要求：

①觸發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。Rg過小，關斷時間過短，關斷時產生的集電極尖峰電壓過高;Rg過大，器件的開關速度降低，開關損耗增大;

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

④當IGBT處于負載短路或過流狀態時，能在IGBT允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現IGBT的軟關斷。驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。

為實現上述要求，必須對基于EXB 841驅動芯片的電路參數進行調整，通過調整4路驅動電路的電位器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正常工作的驅動脈沖，圖2為基于EXB841驅動芯片的驅動電路輸出的兩種驅動波形：左為不正常輸出驅動波形、右為調整后正常輸出的驅動波形。

圖2 EXB 841驅動電路的兩種驅動波形

2.2故障維修個例2

開關電源I內控制板上脈寬調制器電路N2(型號SG 3526或SG 1526)閉環失效引起的“開關電源”故障。故障現象：監控分機面板上的高壓電壓指示超過額定值并報“開關電源”故障。

原因分析：開關電源電壓指示是利用調制柜取樣板對高壓進行電流取樣，將高壓電壓變成微安級電流，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。當并聯在電流表兩端的電位器開路時，高壓指示將打表，但這時真正的高壓電壓并不增加或減小。從脈寬調制型開關電源穩壓原理來看，開關電源Ⅱ取樣板上的電阻R1、R2(均為2mΩ電阻)與開關電源Ⅰ面板上的高壓調節電位器RP1(阻值為5 kΩ)構成了取樣電路，RP1中間點就是取樣信號輸出端，如圖3所示，開關電源高壓電壓為U0，取樣電壓U'0。閉環穩壓時，取樣電壓U'0應為控制板上脈寬調制器N 2-1上的電壓，本電路中該電壓為2.5 V。根據串聯電路的分壓關系：

圖3 穩壓關系示意圖

遇到高壓過高(超過3 kV)時，應立即按開關電源Ⅰ面板上的“關”開關，將寬調制器輸出的觸發切斷，避免發生更大的故障。

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

更換脈寬調制器電路 N2(型號 SG3526或SG1526)后，按程序檢查觸發脈沖正常，開高壓，穩壓正常。

2.3 故障維修個例3

燈絲偏磁分機控保電路引起的“燈絲欠流”或“燈絲過流”故障。故障現象：雷達報“燈絲欠流”或“燈絲過流”故障，不能加高壓。

檢查過程：由于燈絲偏磁分機的主要功能就是為速調管燈絲、高變比脈沖變壓器提供工作電源，所以故障很可能發生在燈絲偏磁分機。首先觀察燈絲偏磁分機面板上的燈絲電流電壓指示值，正常;檢查變壓器次級整流橋堆(KBPC2504)為速調管燈絲提供的偏磁正電壓，正常;再檢查燈絲保護電路中有關取樣電壓。開低壓預熱后，測試燈絲欠流和過流保護取樣電阻RP2、RP4電壓均為0 V，而插槽的17、19腳的燈絲保護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，雷達工作正常。檢測記錄關鍵點的參考值如下：燈絲保護采樣輸入電壓5.8 V，欠流保護RP2基準電壓為5.5 V，過流基準RP4電壓為7.0 V，有±5%左右的變化屬正常現象。

原因分析：速調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警，不允許加高壓。

3 小結

根據電原理圖，分析信號流程，逐級排查系統電路中的電元源器件，實現片級元器件的檢測;記錄雷達正常工作時的狀態參數，可在故障排查時進行對比，能較大的提高排除故障時的效率;定期對系統做到細致全面的維護、利用萬用表、示波器等儀器檢測雷達重要器件的參數并調整其到最佳狀態，能最大限度的保證雷達正常運行。

［1］ 曹書強.基于EXB841的IGBT驅動與保護電路研究［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，主要從事雷達技術保障與探測工作。