雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)功率管失效故障分析

摘要：雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)在老煉過程中，出現(xiàn)批次性功率管失效故障。遵循技術(shù)歸零原則，我們準(zhǔn)確定位故障原因，消除故障隱患，并采取有效措施。對(duì)故障進(jìn)行了歸零處理，保證了后續(xù)批次的正常批產(chǎn)的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：功率管 失效 故障歸零

中圖分類號(hào)： U223.5+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

1 引言

作為固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心器件，微波功率管具有單價(jià)高、易失效等特點(diǎn)，由于裝機(jī)數(shù)量可觀，其成本占據(jù)了固態(tài)發(fā)射機(jī)總成本的一半以上。工程實(shí)踐中，任何器材在生產(chǎn)、加工、調(diào)試階段都有一定比例的失效率。但由于微波功率管屬于貴重器材，在失效后尤其是異常失效后，對(duì)故障進(jìn)行原因分析，落實(shí)解決措施以及實(shí)施故障歸零，降低后續(xù)批產(chǎn)失效率，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文結(jié)合批產(chǎn)過程中的一次功率管較大量集中失效故障，探討其故障原因的分析及相應(yīng)改進(jìn)措施。

2 現(xiàn)象描述及故障定位

某固態(tài)發(fā)射機(jī)在正常老練過程中，其輸出總功率突然下降了1kW，然后再次迅速下降了0.5kW，并暫時(shí)穩(wěn)定；同時(shí)伴隨著發(fā)射機(jī)總電流下降約40A。

上述故障現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，該套發(fā)射機(jī)已累計(jì)正常工作約60h。

該固態(tài)發(fā)射機(jī)由三級(jí)放大鏈路組成，第一級(jí)和第二級(jí)為前級(jí)組件和末前級(jí)組件，均為單行驅(qū)動(dòng)，第三級(jí)為末級(jí)組件，由多路合成。根據(jù)上述現(xiàn)象，可以初步判定，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)功率下降可能原因有：一是第二級(jí)的末前級(jí)組件輸出功率下降，導(dǎo)致第三級(jí)欠激勵(lì)；二是第三級(jí)有多路末級(jí)組件的輸出功率下降。

2. 1 檢測(cè)驅(qū)動(dòng)級(jí)

固態(tài)發(fā)射組件驅(qū)動(dòng)級(jí)一般由前級(jí)組件和末前級(jí)組件構(gòu)成。通過相應(yīng)工作，很容易排除驅(qū)動(dòng)級(jí)故障。

2. 2 檢測(cè)放大級(jí)

數(shù)據(jù)如下：

參數(shù)/位號(hào)2#3#9#11#12#15#16#

輸出功率（低）0.810.911.511.221.191.61.18

輸出功率（中）1.211.291.341.641.241.811.61

輸出功率（高）1.041.071.241.240.911.441.23

端口激勵(lì)正常正常正常正常正常正常正常

從測(cè)試數(shù)據(jù)看，有多路末級(jí)組件輸出功率小于指標(biāo)1.4要求，損失的功率合成值也與之吻合。因此，可以初步將故障隔離在發(fā)射機(jī)放大鏈路第三級(jí)；造成發(fā)射機(jī)功率下降、電流下降的原因是放大級(jí)組件輸出功率下降所致。

2.3 進(jìn)一步檢查

將失效的放大級(jí)組件返工，作進(jìn)一步檢查。發(fā)現(xiàn)這些組件里均有功率管失效，同時(shí)伴有其輸出端隔直電容炸裂現(xiàn)象。

因此，故障原因進(jìn)一步準(zhǔn)確定位在放大級(jí)組件功率管失效所致。

4 故障原因分析

固態(tài)發(fā)射機(jī)放大級(jí)組件功率管是一種電流控制型器件，借助分布元件的頻響特性構(gòu)建具有不同直流、交流等效電路模型的匹配電路，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，采用共基模式下將射極的小信號(hào)放大通過集電極輸出。

4.2 功率管失效分析

造成功率管失效一般有如下幾種情形：（1）功率管自身缺陷；（2）過激勵(lì)；（3）輸出端駐波大；（4）散熱不暢導(dǎo)致的熱擊穿 ；（5）工作電壓異常導(dǎo)致PN結(jié)擊穿。

借助故障樹模型，逐步排除了（1）（2）（4）（5）等四種可能原因。在原因（3）的分析中，故障信息顯示：在8只失效功率管中，有7只對(duì)應(yīng)的隔直電容炸裂。

由于功率管失效后，其后的隔直電容上的負(fù)荷會(huì)急劇降低，而通過相鄰功率管耦合過來(lái)的微波功率造成其失效的可能性極低，工程上一般忽略此因素。事實(shí)上，功率管失效后，其后隔直電容一般不會(huì)作為次生故障而失效。通常的情況是，隔直電容失效后，單只功率管輸出功率形成局部全反射，極容易導(dǎo)致該功率管的失效。

工程實(shí)踐中，這一因素也是造成功率管失效的主要因素之一。

4.3 輸出端駐波大原因初步分析：

由于功率管工作時(shí)，其直流電路模型和交流電路模型存在顯著差異，通常兩種電路借助功率管輸出端的隔直電容進(jìn)行隔離和聯(lián)系。該電容特性是隔離直流，低阻抗通過交流射頻信號(hào)。在其發(fā)生打火的情況下，極容易造成輸出駐波惡化，極端情況下，隔直電容炸裂，形成全反射，導(dǎo)致功率管失效。

為此，我們對(duì)上述故障組件在顯微鏡下進(jìn)一步檢測(cè)。結(jié)果顯示，隔直電容存在虛焊現(xiàn)象，如下圖顯示。

在大功率工作情況下，此類虛焊點(diǎn)是常見的打火點(diǎn)，從而引起輸出端駐波惡化，進(jìn)而造成電容失效，以及對(duì)應(yīng)功率管的進(jìn)一步失效。

4.4 最終原因

通過上述分析，造成上述故障的根本原因是：隔直電容存在焊接缺陷，其輸入端駐波顯著增大，形成打火點(diǎn)，造成微波功率管輸出端駐波惡化；隨著長(zhǎng)時(shí)間工作，駐波進(jìn)一步惡化，進(jìn)而導(dǎo)致與其匹配的微波功率管失效。

5 問題復(fù)現(xiàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證定位的準(zhǔn)確性和機(jī)理分析的正確性，需要對(duì)故障現(xiàn)象復(fù)位。考慮到微波功率管屬于貴重器，進(jìn)行失效故障重現(xiàn)成本過于高昂，工程上我們采用替代驗(yàn)證法，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試微波功率管輸出端的隔直電容在焊接良好和焊接缺陷兩種情況下的駐波。數(shù)據(jù)如下表：

狀態(tài)輸入端駐波

焊接良好1.18

存在焊接缺陷1.56

從表中數(shù)據(jù)可以看出，隔直電容存在焊接缺陷時(shí)，其輸入端駐波顯著增大，形成打火點(diǎn)，造成微波功率管輸出端駐波惡化；隨著長(zhǎng)時(shí)間工作，駐波進(jìn)一步惡化，進(jìn)而導(dǎo)致與其匹配的微波功率管失效。

因此故障定位和失效機(jī)理分析是準(zhǔn)確的。

6 解決措施及效果驗(yàn)證

6.1 解決措施

針對(duì)隔直電容虛焊的問題，從解決已出現(xiàn)的問題及后續(xù)改進(jìn)兩個(gè)方面進(jìn)行改正：

（1）整批次固態(tài)組件所配裝的隔直電容全部從新領(lǐng)用更換；

（2）在焊接工藝中增加輔助加熱焊接方式，提高焊點(diǎn)飽滿度；

（3）增加關(guān)鍵部位焊點(diǎn)顯微鏡檢測(cè)流程，及時(shí)消除隱患。

6.2 效果驗(yàn)證

解決措施落實(shí)后，重新恢復(fù)放大級(jí)組件，并進(jìn)行了驗(yàn)證性老煉實(shí)驗(yàn)。老煉實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)試固態(tài)發(fā)射機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均正常；無(wú)類似故障重現(xiàn)，措施有效。

7 總結(jié)

微波功率管是固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心器件，其可靠性直接決定了固態(tài)發(fā)射機(jī)的可靠性。降低其失效率，既可以降低批產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還能提高產(chǎn)品的可靠性，創(chuàng)造出更多的社會(huì)效益。

故障歸零正是達(dá)到上述多重效果的必要手段和選擇。通過故障歸零，準(zhǔn)確定位故障原因，消除類似故障隱患發(fā)生，降本增效，真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)歸零的初衷和目的。