栅控行波管发射机打火故障分析及抗打火措施

段 平

栅控行波管发射机打火故障分析及抗打火措施

段 平

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

发射机是雷达系统的重要分机，其故障率约占雷达系统故障率的50%，而发射机打火故障又占发射机故障率的85%以上。因此发射机故障率的高低直接影响着雷达系统的可靠性。针对某型雷达发射机发生打火故障的机理进行了分析，针对性地采取了抗打火报护措施，使得发射机故障率明显下降。

行波管；发射机；打火

0 引言

某型雷达采用全相参主振放大式发射机，选用风冷栅控耦合腔行波管作为发射机的末级放大管，其主要参数为：

1）阴极电压-24 kV；

2）输出功率：15 kW；

3）增益：44 dB；

4）占空比：3%；

5）相对带宽：10%。

发射机按电路功能划分为以下七个模块：

1）监控模块；

2）微波源模块；

3）低压电源模块（为监控和微波源模块供电）；

4）行放模块；

5）调制器模块（产生行波管所需的灯丝电源、栅极负偏压电源及栅极调制脉冲）；

6）高压整流滤波模块；

7）高压变换器模块（同高压整流滤波模块相配合，产生行波管所需的阴极电源和收集极电源）。

发射机原理框图如图1所示。

该发射机样机研制成功后随雷达整机进行了数年的总站调试及外场试验，其间因行波管老化、高压电源至调制器模块外部引线绝缘破损等原因，发生过数次打火故障，但均未发生监控模块、调制器模块、高压电源损坏的严重故障，由此可以说明该发射机设计和样机研制是成功的。但在首批小批量试制过程中，共发生过五次大的打火故障：

1）调制器模块隔高压变压器击穿打火故障；

2）高压整流滤波模块低温打火故障（高压电源绝缘油处理及灌注工艺不稳定造成的）；

3）高压变压器散热不良造成变压器初级线包烧毁故障；

4）因高压打火造成监控模块的高压电压电流采样模数转换器损坏故障；

5）因高压打火造成高压电源输出限流电阻损坏故障。

本文针对行波管发射机的这几次故障做了逐一分析。

目前栅控行波管发射机广泛使用于雷达发射系统中，本文系统分析了此类行波管发射机的打火现象及具体的解决措施，为此类大功率行波管发射机的工作可靠性提供了很好的借鉴作用。

1 故障现象、分析定位及解决措施

1.1 调制器模块隔高压变压器击穿打火故障

发射机常温调试过程中发生打火，声音很大。打火后检查发射机各模块，发现除调制器外其余部分均正常。仔细检查调制器模块发现一隔高压变压器高电位端有细小裂纹，造成该变压器绝缘强度下降。对该变压器打耐压检查中发现，原本能承受 30 kV耐压的变压器在高压加到4 kV时对地电流急剧增加，绝缘强度严重下降，造成高压电源加不上。

调制器采用浮动板调制器，部分电路悬浮在行波管阴极高电位上。行波管所需的灯丝电源、栅极负偏压电源和栅极调制脉冲电源，通过高频隔离变压器送至浮动板。该变压器采用环形超微晶磁芯，绕组选用高温漆包线绕制。变压器采用环氧树脂整体灌封工艺，用于提高初次级绝缘耐压强度。

由于调制器浮动板直接悬浮在行波管阴极高电位上，因此无论是高压电源自身打火还是行波管阴极对地打火或者是调制器高电位对地打火，只能造成高压对地短路，高压降低，而不可能引起高压升高。因此隔高压变压器初次级击穿的原因只能是变压器自身绝缘强度下降，是高压打火的原因，而不是高压打火的结果。

对此变压器进行X光扫描和逐层解剖发现，变压器高电位端细小裂纹附近有一根次级引出线距环氧灌封外表距离仅有3 mm，此引出线设计图纸要求环氧灌封厚度大于8 mm，可断定此次变压器击穿就是由于绝缘距离变短造成。针对此问题，用X光扫描方法观察了同批次的其他变压器，发现引出线距环氧灌封外表面的实际距离偏差较大。为避免距离偏差较大的问题，采用二次灌封工艺手段，将变压器初、次级绕组先进行一次灌注，然后采用专用模具将引出线固定好再进行整体灌注，这样各个部分的绝缘距离可得到有效控制，达到设计要求。

此项改进后，经过多次试验验证，隔离变压器击穿问题得到彻底解决。

1.2 高压整流滤波模块低温打火故障

发射机试验时，在低温-10 ℃保温8小时第一次加高压，高压启动过程中发现高压打火，打火声音很大，在高低温箱外可听见。打火后检查发射机各模块，发现除高压电源外，其余各模块均正常。脱开行波管和调制器模块，更换高压整流器模块单独加高压正常，故将故障定位于高压整流器模块。

高压电源采用全桥准谐振脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）体制，变换器主开关采用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块。采用四倍压整流，减轻高压变压器的设计难度。采用串联供电方式对行波管供电，在阴极电源中取一部分供行波管收集极。取阴极电压作为反馈取样送脉宽调制PWM控制器，通过PWM的调宽功能实现两组电源的闭环稳压控制。为减小体积、加强散热、增加绝缘强度、提高可靠性，将高压电源分为两个模块：高压整流滤波模块和高压变换器模块。其中电源的高压部分高压整流滤波模块（包括高压变压器、整流器、滤波器、分压器）设计成密封油侵式；电源低压的部分高压变换器模块设计成风冷式。

将高压整流器模块打开检查，发现高压输出滤波电容击穿，检查绝缘油发现击穿电压下降严重（小于25 kV/2.54 mm）。检查该批次高压整流器模块灌注工艺记录，发现该批次绝缘油在未经处理时的耐压较低，而处理工艺和时间未加长，处理后耐压达到原设计要求（大于35 kV/2.54 mm）。

高压电容外形为长方体，引出端在长方体的窄面隔开。设计固定高压电容时认为高电位在引出端，低电位在后部，因此在电容器后部与机壳间留的间隙较近（约20 mm），且直接用金属卡固定在机壳。咨询滤波电容生产厂家，认为原设计对高压电容的电位分布理解有误，其高电位端应该在电容器长方体的宽面。

针对以上两处缺陷，首先更改了高压电容的固定方式。将电容采用绝缘材料固定在环氧板上，增大电容器后部与机壳的间隙（约30 mm）。增加对绝缘油的干燥、脱水处理时间及处理后的耐压等级，使得处理后的耐压大于45 kV/2.54 mm。

此项改进后，经过多次高低温试验验证，高压整流滤波模块低温打火故障问题得到彻底解决。

1.3 高压变压器散热不良造成初级线包烧毁故障

发射机连续最大占空比（3%）工作约5小时发生高压电源打火故障。打火后检查发射机各模块，发现除高压整流器模块外，其余各模块均正常。打开高压整流器模块检查发现高压变压器初级线包烧毁，初、次级间的5层聚四氟乙烯薄膜烧融，倍压整流二极管和电容各击穿一个。

解剖高压变压器发现，变压器初级线圈包裹在变压器铁芯与次级线圈之间，因为考虑初次级绝缘，在初级线圈外紧密包裹了5层聚四氟乙烯薄，次级线圈紧密绕制在初级线圈外，初次级线包之间和初级线圈与铁芯之间未留间隙。初级线圈自身的热量很难散出，再加上变压器铁芯的发热直接传导至初线圈，长期大占空比工作造成热量积累将初级线圈烧毁。

针对此缺陷，首先在铁芯和初级线圈之间及初次级线圈之间增加油隙，提高初级线圈的散热能力。其次增大初级线径降低变压器铜损，并且将漆包线温度等级由130℃提高至180℃，提高漆包线的耐温强度。最后针对雷达使用的中频逆变电源参数，重新设计高压变压器绕制参数，减少次级匝数、降低变比，提高高压电源总体效率，减小发热量（样机最初供电采用400 Hz变频机组供电，波形失真大，交流波形平顶严重，整流后的电压较低。此后采用中频逆变电源供电，波形失真小，几乎没有平顶，整流后的电压较高）。

此项改进后，经过多次高低温试验验证，高压变压器散热不良造成初级线包烧毁故障问题得到彻底解决。

1.4 高压电源输出限流电阻因高压打火损坏故障

综合分析认为此次故障是行波管低温打火，高压电源负载接近短路，高压输出电容瞬间释放较高能量将高压电源输出限流电阻烧毁造成。

该电阻结构为管状陶瓷表面被覆金属氧化膜导电材料，导电材料很薄，耐受瞬态高能量有限。发射机正常工作时该电阻两端最大脉冲电压为500 V左右，功率为75 W左右。发生高压电源负载打火时，该电阻两端最大脉冲电压为23 kV左右，承受瞬态能量为248 J。如果该电阻阻值不均匀，在电阻大的位置将会出现电压过高和能量过大，造成局部过热开路。

为彻底消除此电阻隐患，将此电阻改为氧化锌体电阻。电阻导电材料为实心体电阻，采用金属氧化物和陶瓷材料混合在高温下烧结而成的实芯电阻。

耐受能量为800 J/cm3×30 cm3＝24 000 J。

此项改进后，经历多次行波管打火和高压电源短路试验，未发生电阻开路，高压电源输出限流电阻打火损坏故障问题得到彻底解决。

1.5 监控模块高压电压电流采样模数转换器（AD7864BS-1）因高压打火损坏故障

发射机监控模块以PC/104工控机为核心，辅以由可编程电路（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和模数转换器等组成的I/O模块和数据采集模块构成。高压电压取样采用精密电阻分压取样；行波管阴极电流及收集极电流取样采用无源脉冲互感器完成，对高压打火、干扰有较强的抑制能力。原理框图如图2所示。

监控模块内部均为＋5 V供电集成电路，其击穿电压均在＋5 V～＋20 V之间。监控模块与发射机其他电路共地，发生高压打火时会在发射机地线上产生较高浪涌电压，并且在直流电源上也会感应较高的尖峰电压，对集成电路造成击穿或损伤。在发射机的数次打火故障时，曾发生高压电压电流采样模数转换器损坏故障。经对失效的模数转换器（AD7864BS-1）进行分析，认为是从外界引入异常电应力造成模拟地端、模拟取样输入端、模拟电源端之间的保护二极管过压击穿，最终形成大电流过流烧毁失效。

针对以上分析，采用在监控模块的＋5 V电源和地之间及模数转换器模拟取样输入端和地之间并联瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）保护，吸收高压打火时产生的浪涌电压，保护监控模块内低压集成电路；减小高压回路接地电阻，降低高压打火对其他电路的冲击。

此项改进后，经历多次行波管打火和高压打火，监控模块工作正常，未发现器件损坏，大大提高了监控模块的抗打火能力。

2 故障验证情况

为验证以上故障分析定位及纠正措施的有效性，拟制了《改进型雷达发射机故障归零验证试验方案》。根据验证试验方案分别进行了常温八小时试验、高低温工作试验和宽带振动试验。验证试验结论如下：

1）在发射机最大2.5%占空比条件下，进行严格考核验证，验证试验中发射机工作正常，发射机技术指标均符合指标要求；

2）所有发射机故障均已完成验证、归零；

3）将所有的纠正措施落实到图纸及相关技术协议中，落实到后续产品的生产中；

经过试验验证，证明前期故障分析、定位准确，所采取的纠正措施可行、有效，彻底地解决了发射机存在的问题。

3 结论

发射机是雷达系统的重要分机，由于其高压、大功率的电路特点，故障率相比雷达系统其他分机而言一直较高。打火故障又会引起很多关联故障，造成发射机其他部分器件损坏。因此对于发射机的每一次打火故障都应该仔细分析，找出原因，采取相应的解决措施，逐步降低故障率，提高可靠性。该发射机经过以上归零措施后，在后续的生产、调试过程中一直稳定可靠工作，在雷达系统的可靠性鉴定试验中做到了零故障通过。

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Analysis of Ignition Failure of Grid-Controlled TWT Transmitter and Anti-Ignition Measures

DUAN Ping

The transmitter is a key part of the radar system, and its failure rate accounts for about 50% of the failure rate of the radar system, while the ignition failure of the transmitter accounts for more than 85% of the failure rate of the transmitter. Therefore, the level of transmitter failure rate directly affects the reliability of the radar system. Aiming at the ignition failure of a certain type of radar transmitter, the mechanism of the failure, and puts forward anti ignition protection measures is analyzed, which significantly reduces the failure rate of the transmitter.

Traveling-Wave Tube; Transmitter; Ignition

TN124

A

1674-7976-(2022)-03-230-05

2022-03-03。

段平（1969.01—），河北保定人，工程师，主要研究方向为雷达发射系统。