雷达固态发射机功率管失效故障分析

胡恒艳

摘要：雷达固态发射机在老炼过程中，出现批次性功率管失效故障。遵循技术归零原则，我们准确定位故障原因，消除故障隐患，并采取有效措施。对故障进行了归零处理，保证了后续批次的正常批产的顺利进行。

关键词：功率管 失效 故障归零

中图分类号： U223.5+4 文献标志码 A

1 引言

作为固态发射机的核心器件，微波功率管具有单价高、易失效等特点，由于装机数量可观，其成本占据了固态发射机总成本的一半以上。工程实践中，任何器材在生产、加工、调试阶段都有一定比例的失效率。但由于微波功率管属于贵重器材，在失效后尤其是异常失效后，对故障进行原因分析，落实解决措施以及实施故障归零，降低后续批产失效率，具有明显的经济效益和社会效益。本文结合批产过程中的一次功率管较大量集中失效故障，探讨其故障原因的分析及相应改进措施。

2 现象描述及故障定位

某固态发射机在正常老练过程中，其输出总功率突然下降了1kW，然后再次迅速下降了0.5kW，并暂时稳定；同时伴随着发射机总电流下降约40A。

上述故障现象出现时，该套发射机已累计正常工作约60h。

该固态发射机由三级放大链路组成，第一级和第二级为前级组件和末前级组件，均为单行驱动，第三级为末级组件，由多路合成。根据上述现象，可以初步判定，导致发射机功率下降可能原因有：一是第二级的末前级组件输出功率下降，导致第三级欠激励；二是第三级有多路末级组件的输出功率下降。

2. 1 检测驱动级

固态发射组件驱动级一般由前级组件和末前级组件构成。通过相应工作，很容易排除驱动级故障。

2. 2 检测放大级

数据如下：

参数/位号 2# 3# 9# 11# 12# 15# 16#

输出功率（低） 0.81 0.91 1.51 1.22 1.19 1.6 1.18

输出功率（中） 1.21 1.29 1.34 1.64 1.24 1.81 1.61

输出功率（高） 1.04 1.07 1.24 1.24 0.91 1.44 1.23

端口激励 正常 正常 正常 正常 正常 正常 正常

从测试数据看，有多路末级组件输出功率小于指标1.4要求，损失的功率合成值也与之吻合。因此，可以初步将故障隔离在发射机放大链路第三级；造成发射机功率下降、电流下降的原因是放大级组件输出功率下降所致。

2.3 进一步检查

将失效的放大级组件返工，作进一步检查。发现这些组件里均有功率管失效，同时伴有其输出端隔直电容炸裂现象。

因此，故障原因进一步准确定位在放大级组件功率管失效所致。

4 故障原因分析

固态发射机放大级组件功率管是一种电流控制型器件，借助分布元件的频响特性构建具有不同直流、交流等效电路模型的匹配电路，设置合适的静态工作点，采用共基模式下将射极的小信号放大通过集电极输出。

4.2 功率管失效分析

造成功率管失效一般有如下几种情形：（1）功率管自身缺陷；（2）过激励；（3）输出端驻波大；（4）散热不畅导致的热击穿 ；（5）工作电压异常导致PN结击穿。

借助故障树模型，逐步排除了（1）（2）（4）（5）等四种可能原因。在原因（3）的分析中，故障信息显示：在8只失效功率管中，有7只对应的隔直电容炸裂。

由于功率管失效后，其后的隔直电容上的负荷会急剧降低，而通过相邻功率管耦合过来的微波功率造成其失效的可能性极低，工程上一般忽略此因素。事实上，功率管失效后，其后隔直电容一般不会作为次生故障而失效。通常的情况是，隔直电容失效后，单只功率管输出功率形成局部全反射，极容易导致该功率管的失效。

工程实践中，这一因素也是造成功率管失效的主要因素之一。

4.3 输出端驻波大原因初步分析：

由于功率管工作时，其直流电路模型和交流电路模型存在显著差异，通常两种电路借助功率管输出端的隔直电容进行隔离和联系。该电容特性是隔离直流，低阻抗通过交流射频信号。在其发生打火的情况下，极容易造成输出驻波恶化，极端情况下，隔直电容炸裂，形成全反射，导致功率管失效。

为此，我们对上述故障组件在显微镜下进一步检测。结果显示，隔直电容存在虚焊现象，如下图显示。

在大功率工作情况下，此类虚焊点是常见的打火点，从而引起输出端驻波恶化，进而造成电容失效，以及对应功率管的进一步失效。

4.4 最终原因

通过上述分析，造成上述故障的根本原因是：隔直电容存在焊接缺陷，其输入端驻波显著增大，形成打火點，造成微波功率管输出端驻波恶化；随着长时间工作，驻波进一步恶化，进而导致与其匹配的微波功率管失效。

5 问题复现

为了进一步验证定位的准确性和机理分析的正确性，需要对故障现象复位。考虑到微波功率管属于贵重器，进行失效故障重现成本过于高昂，工程上我们采用替代验证法，用矢量网络分析仪测试微波功率管输出端的隔直电容在焊接良好和焊接缺陷两种情况下的驻波。数据如下表：

状态 输入端驻波

焊接良好 1.18

存在焊接缺陷 1.56

从表中数据可以看出，隔直电容存在焊接缺陷时，其输入端驻波显著增大，形成打火点，造成微波功率管输出端驻波恶化；随着长时间工作，驻波进一步恶化，进而导致与其匹配的微波功率管失效。

因此故障定位和失效机理分析是准确的。

6 解决措施及效果验证

6.1 解决措施

针对隔直电容虚焊的问题，从解决已出现的问题及后续改进两个方面进行改正：

（1） 整批次固态组件所配装的隔直电容全部从新领用更换；

（2） 在焊接工艺中增加辅助加热焊接方式，提高焊点饱满度；

（3） 增加关键部位焊点显微镜检测流程，及时消除隐患。

6.2 效果验证

解决措施落实后，重新恢复放大级组件，并进行了验证性老炼实验。老炼实验结束后，测试固态发射机各项指标均正常；无类似故障重现，措施有效。

7 总结

微波功率管是固态发射机的核心器件，其可靠性直接决定了固态发射机的可靠性。降低其失效率，既可以降低批产成本，提升产品的经济效益，同时还能提高产品的可靠性，创造出更多的社会效益。

故障归零正是达到上述多重效果的必要手段和选择。通过故障归零，准确定位故障原因，消除类似故障隐患发生，降本增效，真正实现技术归零的初衷和目的。