CA型新一代天氣雷達觸發(fā)器故障分析及處理

陳昌文，孫傳東，蔣仕華，侯 亮，黃天福

(1.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553000；2.北京敏視達雷達技術(shù)有限公司，北京 100000)

0 引言

六盤水新一代天氣雷達系統(tǒng)(以下簡稱“雷達系統(tǒng)”)為北京敏視達雷達有限公司生產(chǎn)的CINRAD/CA型雷達，是在貴州省安裝的第一部CA型雷達，主要由雷達數(shù)據(jù)采集(RDA)、雷達產(chǎn)品生成(RPG)、主用戶終端(PUP)、通信系統(tǒng)(VNC)等子系統(tǒng)組成。近年來，由于本部雷達系統(tǒng)設備運行處于磨合階段，雷達發(fā)射機頻發(fā)觸發(fā)器組件故障，導致觸發(fā)器內(nèi)3A11A1控制電路板電子元器件燒毀，致使雷達強制停機，無法正常運行，嚴重影響著雷達設備的運行穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)的傳輸。本文以六盤水雷達系統(tǒng)具體的故障為原型，參考雷達用戶手冊和相關(guān)雷達故障排除方法[1-2]，對雷達觸發(fā)器組件的工作原理、故障發(fā)生機理等進行分析，完成此類故障的維修及排除，為今后雷達設備正常運行提供保障。

1 故障發(fā)生實例

2016年4月14日，雷達停止運行，發(fā)射機面板顯示“觸發(fā)器故障”報警紅燈亮起，靠近發(fā)射機明顯能聞到燒焦氣味，抽出觸發(fā)器組件，直觀能看到3A11A1電路板上出現(xiàn)燒黑痕跡，將萬用表打到蜂鳴檔檔位，分別檢查Q1場效應管(IRFPS43N50K)(以下簡稱“Q1”)的源極、漏極、柵極兩兩之間的導通情況，通過發(fā)出蜂鳴聲判斷兩極間是否被擊穿。由此判定3A11A1板Q1器件已經(jīng)被擊穿，并且電阻R23因過熱被燒壞。

2016年9月14日，按照開機順序給雷達設備上電，經(jīng)預熱后，點擊運行雷達控制軟件“Radar Control Console”按鈕，點擊“Start”啟動雷達，打開“RCW”控制界面，無法正常啟動，經(jīng)多次重啟仍然出現(xiàn)報警提示(98：發(fā)射機不可操作，40：燈絲電源關(guān)閉,70：觸發(fā)放大器故障)，同樣發(fā)射機面板顯示“觸發(fā)器故障”報警紅燈亮起。

2018年8月17日對雷達進行正常維護，維護完成后啟動雷達時不能正常啟動，報警顯示“觸發(fā)器故障”，檢查觸發(fā)器內(nèi)電路板3A11A1，發(fā)現(xiàn)D1二極管(MUR4100E)被擊穿。

2018年10月27日，遠程運行雷達控制軟件“Radar Control Console”，啟動后發(fā)現(xiàn)只有10個產(chǎn)品生成，報警提示(98：發(fā)射機不可操作，45：發(fā)射機處于維護狀態(tài),70：觸發(fā)放大器故障,398：不可工作報警強制系統(tǒng)待機)，經(jīng)到現(xiàn)場檢查觸發(fā)器，用同樣的方法得出電路板3A11A1板上Q1被擊穿。

2 觸發(fā)器控制板原理及故障分析

2.1 觸發(fā)器控制板原理

觸發(fā)電路板3A11A1電原理圖中，放電觸發(fā)定時信號經(jīng)接收器U1、電平轉(zhuǎn)換器U2及集成電路U3和MOS管專用驅(qū)動電路U4，驅(qū)動場效應管Q1，輸出約200 V觸發(fā)脈沖。Q1的柵極控制信號是一個寬度4.5 μs，幅度15 V，周期700 μs～3.3 ms的電壓信號。漏極與200 V直流電之間是R23，R23阻值330 Ω，200 V直流電經(jīng)過RC濾波電路(圖1)。

工作流程：Q1的漏極與源極間斷路時，200 V直流電通過R23和R24給C16充電，C16左邊電勢是200 V，右邊0 V；當Q1的柵極收到4.5 μs控制信號時，Q1的漏極與源極導通，C16電容左邊電勢瞬間被拉低到0V，由于電容兩極電勢差不能突變，C16右邊電壓瞬間被拉低到-200 V，C16電容通過J2的2腳放電，電壓-200 V的脈沖，脈沖寬度4.5 μs，該電壓會送到調(diào)制器內(nèi)可控硅放電控制板上的X1與X2上。-200 V的脈沖電壓送到可控硅控制板U1(圖2)，U1是一個變壓器，1個輸入端，8個輸出端，經(jīng)過U1變壓器后，8個輸出端電壓均為-25 V，這個-25 V電壓用來控制可控硅導通。由于篇幅有限，此處僅作了簡單介紹。

圖1 RC濾波電路圖Fig.1 Circuit diagram of RC filter

圖2 可控硅控制板U1電路圖Fig.2 Circuit diagram of thyristor control board U1

2.2 故障分析

①觸發(fā)器控制板3A11A1上Q1被擊穿，柵極、漏極與源極之間兩兩短路，懷疑柵極電流過大，原柵極輸入電流是15 V/10 Ω=1.5 A。Q1短路后，來自J2的3腳200 V直流電與地之間只有一個330 Ω的電阻R23，加在R23電阻上的功率是(200 V×200 V)/330 Ω =121 W，導致R23發(fā)熱燒焦變黑。

②由于故障多數(shù)出在剛開機時，發(fā)射機在開輔助電的一瞬間，確實偶爾會產(chǎn)生一個錯誤的控制脈沖，脈沖寬度可以達到毫秒級，所以懷疑故障原因是發(fā)射機輔助供電開電的一瞬間，柵極處產(chǎn)生錯誤的控制脈沖，控制脈沖寬度遠大于4.5 μs，且此時漏極已有200 V直流供電，導致Q1導通時間過長被擊穿燒壞。Q1漏源電壓，在開關(guān)電的瞬間，有浪涌電壓，瞬間電壓值會超過500 V，Q1允許的最大漏源電壓為500 V。

③綜合考慮，還有可能是上電瞬間，調(diào)制器內(nèi)可控硅接收到來自觸發(fā)器輸送的電壓后，由于設計原因，可控硅正端電壓-200 V，對地端電壓0 V，之前使用的絕緣套桿較薄，且可控硅末端與整個絕緣套桿未作絕緣處理，整體連通成為地端，瞬間電壓擊穿絕緣層，使得可控硅正端變得與地端等電勢，此時電壓反沖，導致觸發(fā)器內(nèi)控制板3A11A1的Q1被擊穿，長時間導通情況下燒壞R23。

3 故障處理

①更換燒毀的電阻R23。同時將Q1柵極輸入電阻R29的阻值由之前的10 Ω換成20 Ω。

②更換觸發(fā)器內(nèi)控制板3A11A1上Q1耐壓值為800 V的型號的場效應管，且在漏極和源極間增焊接電容濾波。

③在D19二極管P1000M兩端加焊電容(圖3)，目的是增強其抗瞬間電壓沖擊的能力，防止被擊穿。當有瞬間過高電壓時，增加的電容起到吸收多余能效的作用，從而保護D19不被燒毀。

④檢查發(fā)現(xiàn)電路板上電容C34(50V220uF)焊接安裝時存在缺陷，緊貼電路板安裝，且接觸壓在電路板的走線上，存在隱患，故在電容C34底端作增加絕緣墊片處理(圖4)。

⑤針對可控硅連接固定的絕緣套桿較薄情況，更換較厚的絕緣套桿，并在可控硅金屬固定桿末端加上絕緣墊片(圖5)，使得可控硅的末端與金屬固定桿處于良好絕緣。

圖3 二極管兩端加焊電容 圖4 電容底端絕緣處理 Fig.3 Welding capacitance at both ends of diode Fig.4 Insulation treatment of capacitor bottom

圖5 可控硅末端與金屬固定桿絕緣處理Fig.5 Insulation treatment of SCR end and metal fixing rod

4 結(jié)論

觸發(fā)器故障是多種元器件之間工作時互相牽制的共同影響，應綜合分析考慮導致其故障的關(guān)聯(lián)節(jié)點，不能就更換單一個別電子元件使問題得以解決。六盤水雷達系統(tǒng)觸發(fā)器故障現(xiàn)象經(jīng)過上述一系列維修及處理之后，已正常運行3個月，至今觸發(fā)器再無此類故障發(fā)生，說明通過上述處理措施有效，但是類似故障是否能一次性完全解決，還有待繼續(xù)觀察。

雷達系統(tǒng)發(fā)生故障時，首先要根據(jù)報警信息結(jié)合維修版面的指示報警情況作出相應的判斷，并初步判斷故障原因，故障位置，雷達保障維護人員要牢記熟悉關(guān)鍵檢測點的波形、電壓等參數(shù)范圍。每個雷達站均配有簡單的檢測儀器如示波器、功率計、萬用表等，雷達保障維護人員要熟悉并會使用這些儀器進行基本的測量工作。

雷達觸發(fā)器故障大部分發(fā)生在雷達站停電或開關(guān)機時刻，故障發(fā)生后，首先識別報警信息是否是觸發(fā)器故障所致；其次檢查觸發(fā)器內(nèi)部各元器件有無燒毀變黑的現(xiàn)象，著重檢查Q1、Q23等主要器件是否發(fā)熱燒壞，使用萬用表測試主要器件通斷情況，避免因某些器件老化或者失效，引起其他故障的發(fā)生；接著檢查觸發(fā)器控制板的測量點波形和電壓，根據(jù)檢測情況判斷故障器件，并進行排除；最后故障未消除之前，不要盲目重新上電開機啟動，以免引發(fā)二次故障，造成更大的損失。