某車載相控陣?yán)走_(dá)小型化陣面電源的結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)

邵奎武，王長(zhǎng)瑞，肖 竑，劉 欣，張?zhí)K寧

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某車載相控陣?yán)走_(dá)小型化陣面電源的結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)

邵奎武，王長(zhǎng)瑞，肖 竑，劉 欣，張?zhí)K寧

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

隨著雷達(dá)向著小型化方向的發(fā)展，如何在苛刻環(huán)境下實(shí)現(xiàn)陣面電源的輕量化、小型化和高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。文中針對(duì)某車載相控陣?yán)走_(dá)用陣面電源，提出了全新的設(shè)計(jì)思路來實(shí)現(xiàn)陣面電源的小型化設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)，利用模塊化設(shè)計(jì)和三維布局設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)尺寸和重量要求；在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性；最后進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)來優(yōu)化電源性能。結(jié)果表明，在實(shí)現(xiàn)電源尺寸縮小50%，重量減少30%而功率密度增大近1倍的情況下，熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求。采用此設(shè)計(jì)理念可有效降低設(shè)計(jì)差錯(cuò)，縮短研發(fā)時(shí)間。

陣面電源；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；熱設(shè)計(jì)；功率密度

引 言

隨著軍事科技和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用越來越廣泛。相控陣技術(shù)的使用使得分布式的T/R組件形式替代了原有的集中式的大功率、高電壓的發(fā)射機(jī)電源。陣面電源作為相控陣?yán)走_(dá)陣面主要供電設(shè)備和主要組成，其形式與原來高電壓大功率發(fā)射機(jī)電源相比，也變?yōu)榈碗妷骸⒋箅娏鞯母吖β拭芏刃问絒1-3]。開關(guān)電源重量輕、體積小、能耗低，整機(jī)效率高、穩(wěn)定度高、可靠性高，成為相控陣?yán)走_(dá)陣面電源的最佳選擇[4]。

當(dāng)今雷達(dá)向著小型化方向發(fā)展，使得設(shè)備內(nèi)部空間有限，要求陣面電源在實(shí)現(xiàn)電性能的同時(shí)盡可能做到體積小、重量輕、成本低。文中研究了在嚴(yán)格的體積、重量限制和苛刻的工作環(huán)境下相控陣?yán)走_(dá)用陣面電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，采用輕量化和模塊化等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過有限元仿真對(duì)結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)仿真分析

1.1 小型化設(shè)計(jì)

隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展和雷達(dá)作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性需求的提高，對(duì)雷達(dá)小型化提出了更為迫切的要求。陣面電源作為雷達(dá)主要組成，對(duì)其進(jìn)行小型化和輕量化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。新設(shè)計(jì)陣面電源與常規(guī)車載相控陣?yán)走_(dá)陣面電源相比，尺寸更小，其厚度僅為同類傳統(tǒng)陣面電源的50%左右；重量更輕，要求不大于5.9 kg，相對(duì)傳統(tǒng)陣面電源需要減重25%以上，如表1所示。在實(shí)現(xiàn)近乎同樣功能的前提下，對(duì)尺寸和重量做如此嚴(yán)格要求，設(shè)計(jì)難度非常大。

表1 陣面電源設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

模塊化設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，就是將產(chǎn)品生命周期內(nèi)一些在電路和結(jié)構(gòu)上具有一定獨(dú)立性的組件進(jìn)行模塊化建構(gòu)，有利于大批量生產(chǎn)時(shí)裝配、換裝、單獨(dú)調(diào)試和維護(hù)，并可在減小設(shè)備體積的前提下提高產(chǎn)品的可靠性，改善散熱性[5-6]。為了滿足設(shè)計(jì)尺寸要求，在進(jìn)行陣面電源設(shè)計(jì)時(shí)首先將變壓器組件、驅(qū)動(dòng)和變換器單元等采用先進(jìn)制造工藝進(jìn)行模塊化處理，整合相似功能，減少元器件使用數(shù)量，實(shí)現(xiàn)小型化要求。輸出電容模塊是陣面電源的關(guān)鍵功能模塊，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般采用匯流條加大型電容的形式來實(shí)現(xiàn)，如圖1(a)所示。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，成本高，而且高度尺寸達(dá)到88 mm，難以滿足小型化要求。為了避免使用大型電容，為整體尺寸減小奠定基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)首次采用層疊匯流母排形式應(yīng)用于輸出電容模塊，如圖1(b)所示。該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化(鈑金件)，可批產(chǎn)，成本低，使用后輸出電容模塊高度尺寸降低了66%，只有30 mm，大幅節(jié)約了安裝高度空間，并有效減重15%以上。此外，采用層疊匯流母排形式的輸出電容模塊阻抗低，抗干擾能力強(qiáng)，可有效改善電源紋波現(xiàn)象。輸入電容因電位高、空間有限，不可能安裝較大的結(jié)構(gòu)固定件，而且電容本身還有散熱要求，最終采用灌封導(dǎo)熱絕緣膠同時(shí)輔以小結(jié)構(gòu)件固定的方式實(shí)現(xiàn)。風(fēng)冷冷卻形式一般需要在電源中加裝風(fēng)冷設(shè)備或者為了增加散熱面積而設(shè)計(jì)散熱翅片，這些都會(huì)引起電源尺寸的增加，因此新設(shè)計(jì)陣面電源采用液冷冷卻形式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。此外，對(duì)陣面電源整機(jī)也進(jìn)行了模塊化處理，使其外形尺寸、安裝形式與T/R組件相同，有利于雷達(dá)陣面小型化的實(shí)現(xiàn)，對(duì)降低成本、批量生產(chǎn)也有利。

圖1 輸出電容模塊設(shè)計(jì)對(duì)比

1.2 輕量化設(shè)計(jì)

陣面電源的小型化設(shè)計(jì)有效減小了電源的重量。為滿足25%以上的減重要求，需要對(duì)電源進(jìn)行進(jìn)一步減重處理。首先對(duì)電源殼體非承力部位和遠(yuǎn)離流道區(qū)域進(jìn)行銑削凹槽形式的減重處理，殼體最薄處只有1.5 mm。電源殼體和蓋板采用密度小、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)大、易于加工的鋁合金，可有效降低重量，并利于散熱和降低生產(chǎn)成本。

在電子設(shè)計(jì)上應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，可使結(jié)構(gòu)件兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重功能，在不降低電子設(shè)備性能指標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)[7]。因此，陣面電源設(shè)計(jì)時(shí)采用這種一物多用的設(shè)計(jì)理念，電源冷板既作為高熱耗器件的散熱器又是其他低熱耗器件的支撐骨架。將熱耗大的器件放在冷板處，對(duì)于熱耗小的器件采用三維設(shè)計(jì)方法將其安裝在熱耗大的器件上方，結(jié)構(gòu)十分緊湊，避免了大量結(jié)構(gòu)件的使用，有效減輕了重量，同時(shí)也可以進(jìn)一步減小電源尺寸。

經(jīng)過輕量化等優(yōu)化設(shè)計(jì)后的陣面電源重5.5 kg，輕于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，外形如圖2所示。

圖2 陣面電源三維外觀

1.3 力學(xué)仿真分析

由于此電源是車載式雷達(dá)用陣面電源，在實(shí)際工作和轉(zhuǎn)移過程中會(huì)面臨不同的振動(dòng)和沖擊問題，如何在此環(huán)境保證電源不受損壞而且能正常工作是非常重要的。前述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及減重的合理性也需要有效驗(yàn)證。因此對(duì)設(shè)計(jì)后陣面電源進(jìn)行力學(xué)分析具有重要意義。

陣面電源機(jī)殼采用6063鋁合金，蓋板采用5A05鋁合金，定位銷為1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料，對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后，得到陣面電源的最終有限元模型如圖3所示。為了準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力情況，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格法。時(shí)間過渡比設(shè)為0.272，生長(zhǎng)率為1.2，薄壁最大層數(shù)為5，電源由147399個(gè)節(jié)點(diǎn)和80 739個(gè)單元組成。

圖3 陣面電源有限元模型

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，也是電源結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的主要內(nèi)容。車載電源無論是在裝卸、運(yùn)輸階段還是在工作階段都可能產(chǎn)生振動(dòng)，為了避免共振，一般要求電源固有頻率大于激勵(lì)頻率。根據(jù)振動(dòng)理論，對(duì)振動(dòng)響應(yīng)影響比較大的主要是低階模態(tài)[8]。經(jīng)過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，陣面電源前6階模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率如表2所示。由文獻(xiàn)[9]可知一般車載振動(dòng)激勵(lì)在0～125 Hz，此陣面電源的固有頻率在200 Hz以上，遠(yuǎn)大于車載激勵(lì)頻率，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 電源前6階固有頻率

對(duì)于車載產(chǎn)品來說，隨機(jī)振動(dòng)和沖擊響應(yīng)分析也是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成電子設(shè)備失效、結(jié)構(gòu)件疲勞損壞和脆斷、緊固件松脫等問題[10-11]。此陣面電源隨機(jī)振動(dòng)和沖擊響應(yīng)數(shù)值模擬分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，隨機(jī)振動(dòng)在X、Y、Z方向的最大變形分別為0.03 mm，0.17 mm和0.03 mm，最大變形出現(xiàn)在電源上蓋板；最大應(yīng)力位于定位銷根部的殼體處，最大值為56.5 MPa，如圖4所示。沖擊響應(yīng)最大時(shí)域變形出現(xiàn)在Y方向，為0.22 mm，同樣位于電源上蓋板，如圖5所示；最大應(yīng)力出現(xiàn)在X方向，為35.4 MPa，位于定位銷根部的殼體處，如圖6所示。取安全系數(shù)為1.5，殼體材料為6063鋁合金，其屈服強(qiáng)度[σ]=180 MPa，利用安全裕度公式計(jì)算可知隨機(jī)振動(dòng)和沖擊響應(yīng)下的安全裕度都遠(yuǎn)大于0，滿足強(qiáng)度要求。

表3 陣面電源力學(xué)分析結(jié)果

圖4 陣面電源在隨機(jī)振動(dòng)下的應(yīng)力云圖

圖5 陣面電源Y向沖擊下變形云圖

圖6 陣面電源X向沖擊下應(yīng)力云圖

2 熱設(shè)計(jì)與熱仿真分析

2.1 熱設(shè)計(jì)

工作溫度過高會(huì)導(dǎo)致電子元器件的可靠性降低，使用壽命縮短，正確的熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要[12]。同時(shí)，隨著陣面電源向著微型化、高功率方向發(fā)展，對(duì)其熱設(shè)計(jì)提出更高要求。此陣面電源功率密度相比以往同類產(chǎn)品用陣面電源提升了近1倍，按效率92%計(jì)算，單臺(tái)電源最大總熱耗高達(dá)224 W。結(jié)合前述的電源小型化設(shè)計(jì)以及該電源的高熱耗，采用液冷冷卻方式。由于陣面T/R組件也采用液冷形式，可對(duì)陣面電源和T/R組件的水路進(jìn)行并聯(lián)安裝，有效簡(jiǎn)化整個(gè)陣面冷卻管路排布。陣面電源內(nèi)部發(fā)熱器件多，排布時(shí)發(fā)熱大的器件放在傳熱路徑短處，發(fā)熱小的器件放在傳熱路徑遠(yuǎn)端，造成散熱元器件排布位置分散，不適合采用深孔鉆的冷板，故采用常規(guī)矩形流道式冷板，具體流道排布如圖7所示。

圖7 陣面電源冷板布局圖

鑒于陣面電源和T/R組件的并聯(lián)式冷卻設(shè)計(jì)，T/R組件冷板設(shè)計(jì)流阻為額定流量50 L/h下不大于0.65 bar。為防止流阻不同而影響陣面電源和T/R組件散熱的均勻性，要求陣面電源冷板流阻也能夠在額定流量50 L/h下控制在0.65 bar左右。結(jié)合電源冷板結(jié)構(gòu)形式，并綜合考慮散熱效果，通過對(duì)不同尺寸的流道進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)采用截面尺寸為3 mm×3.5 mm的流道形式可實(shí)現(xiàn)流阻匹配，如表4所示。設(shè)計(jì)時(shí)需要冷板與散熱元器件接觸面具有較高的表面光潔度以降低元器件與冷板的接觸熱阻。為防止水接頭漏液而造成元器件的損壞、失效，在電源內(nèi)部安裝有漏液監(jiān)測(cè)裝置。

表4 陣面電源流阻設(shè)計(jì)

2.2 熱仿真分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的冷板形式，對(duì)陣面電源進(jìn)行熱仿真分析，散熱形式主要以熱傳導(dǎo)為主，傳熱途徑為元器件與冷板熱阻-冷板與冷卻液導(dǎo)熱熱阻。在進(jìn)行仿真分析時(shí)，選擇陣面電源工作最為惡劣的環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，即設(shè)備供液溫度為58 ℃時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，電源芯片最高殼溫為93℃，輸出電感為84 ℃，所有散熱器件滿足熱設(shè)計(jì)要求并有一定散熱能力富余，驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

圖8 陣面電源熱仿真分析

3 密封設(shè)計(jì)

陣面電源的密封設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面考慮。一方面是陣面電源采用液冷冷卻形式，需要保證冷板流道和水接頭處的密封，防止漏液而造成設(shè)備失效。因此在陣面電源設(shè)計(jì)時(shí)，將冷板流道處開坡口后再進(jìn)行焊接，防止焊接后因截面縫隙小而造成釬料填充不均勻，從而造成焊縫強(qiáng)度不夠以致無法滿足流體壓力要求。焊后進(jìn)行檢測(cè)確保冷板在0.15 MPa水壓下無滲漏，在0.1 MPa水壓下流量不小于50 L/h。為防止液冷盲插接頭失效時(shí)冷卻液泄漏對(duì)電源和陣面系統(tǒng)設(shè)備的損壞以及對(duì)環(huán)境的污染，水接頭外圍增加端面密封結(jié)構(gòu)，即在矩形溝槽內(nèi)安裝D型截面的密封圈，將D型截面的圓弧面作為密封面進(jìn)行密封。另一方面是由于雷達(dá)設(shè)備一般都工作在惡劣環(huán)境中，電源需要形成對(duì)周圍環(huán)境的密封。此陣面電源的使用環(huán)境為溫度-40℃～+50 ℃，最大相對(duì)濕度98%(30 ℃)。對(duì)于傳統(tǒng)敞開式陣面電源，在此惡劣環(huán)境下容易在電源內(nèi)部出現(xiàn)水汽凝露現(xiàn)象，造成相關(guān)器件因短路而燒壞，進(jìn)而引起電源無法使用。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電源殼體進(jìn)行了密封性考慮，防止潮氣進(jìn)入電源組件內(nèi)部。具體措施有：陣面電源殼體處裝備的器件采用密封型；在電源蓋板和殼體之間增加導(dǎo)電密封膠條；對(duì)殼體和蓋板之間以及其他結(jié)構(gòu)件與殼體之間較大的縫隙進(jìn)行涂密封膠處理。

4 結(jié)束語

對(duì)陣面電源的輕量化、模塊化等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，電源厚度降低50%左右，重量減少30%以上。通過仿真分析對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在滿足設(shè)計(jì)尺寸和重量要求、功率密度增加近1倍的條件下，陣面電源結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、散熱好。針對(duì)陣面電源的惡劣工作環(huán)境，進(jìn)行密封性設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效提高了陣面電源工作時(shí)的穩(wěn)定性。

[1] 鞠文耀, 唐登平, 趙嶺, 等. 相控陣?yán)走_(dá)陣面電源的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2004, 26(6): 67-70.

[2] 唐登平, 張毅, 汪根華. 相控陣?yán)走_(dá)陣面電源保護(hù)電路的研制[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2009, 31(5): 84-87.

[3] 黃春江, 鞠文耀, 趙嶺. 機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)陣面電源的熱設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2005, 27(6): 72-75.

[4] 陳天樂. 開關(guān)電源的新技術(shù)與發(fā)展前景[J]. 通訊電源技術(shù), 2014, 31(2): 101-102.

[5] 來可偉, 殷國(guó)富. 并行設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[6] 李康, 邵奎武, 王恒海. 小型化機(jī)載指令發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(3): 20-23.

[7] 劉炳輝. 功能結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)在雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(6): 40-44.

[8] 關(guān)宏山. 星載合成孔徑雷達(dá)天線熱控設(shè)計(jì)[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2007(6): 427-430.

[9] 鄭偉剛, 劉志軍, 楊寧. 汽車轉(zhuǎn)向泵支架的靜態(tài)和模態(tài)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2014(6): 182-184.

[10] 張強(qiáng), 何朝勛, 楊建軍. 應(yīng)用Ansys的DDAM方法進(jìn)行艦船設(shè)備的抗沖擊計(jì)算[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(12): 42-45.

[11] 張割, 羅炳華. 某機(jī)載設(shè)備安裝架隨機(jī)振動(dòng)對(duì)比分析法[J]. 機(jī)械制造, 2014, 52(5): 52-54.

[12] 梅源, 孔祥舉. 高熱流密度星載電子設(shè)備熱控技術(shù)研究[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2014(s3): 76-80.

邵奎武 (1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射和電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

王長(zhǎng)瑞 (1983-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射和電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

肖 竑 (1963-)，女，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)、雷達(dá)冷卻系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)工作。

Structure and Thermal Design of a Small Array Power Supply for Vehicle-borne Phased-array Radar

SHAO Kui-wu，WANG Chang-rui，XIAO Hong，LIU Xin，ZHANG Su-ning

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

With the development of miniaturization for radar, the design of array power supply with light mass, small size and high stability in harsh environment faces great challenge. In this paper, the new design concept for the array power supply of a vehicle-borne radar is proposed to realize the miniaturization design. Firstly, the detailed structure and thermal design are carried out, the methods of modular design and three-dimensional layout design are used to realize the size and weight requirements. To verify the rationality of the design, simulation results by finite elements analysis software are presented. At last, the design is improved to optimize the performance of the power supply. Results indicate that the array power supply reduces its size by 50% and its weight by 30% while its power density is almost doubled, at the same time, its structure and thermal design satisfy the application requirements. The design errors and development time are effectively reduced by adopting this design concept.

array power supply; structure design; thermal design; power density

2014-12-25

TN958.92

A

1008-5300(2015)02-0033-04