一種基于傳導(dǎo)散熱的航空聲吶發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法

徐怡 安莉 王重陽 宋世豪

（第七一五研究所，杭州，310023）

航空聲吶[1]發(fā)射機(jī)尤其注重輕型化設(shè)計(jì)，同時(shí)其工作溫度范圍更寬，目前最寬工作溫度范圍要求已達(dá)-45～70℃。這給航空聲吶發(fā)射機(jī)的散熱設(shè)計(jì)帶來困難。受體積重量的限制，一般航空聲吶發(fā)射機(jī)很少采用液冷散熱方式，目前常用的有開放式機(jī)箱風(fēng)冷散熱與密封式雙層機(jī)箱風(fēng)冷散熱方式。前者由于機(jī)箱屬于敞開式結(jié)構(gòu)，容易在寬溫度范圍工作時(shí)在機(jī)箱內(nèi)部形成冷凝水，從而導(dǎo)致內(nèi)部電路絕緣下降甚至損壞；后者需要在雙層機(jī)箱之間形成風(fēng)道，從而增加了發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)部分的體積與重量。本文針對(duì)以上問題提出了一種基于傳導(dǎo)散熱的航空聲吶發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，給出設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 傳導(dǎo)散熱型航空發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)特定頻率與功率的波形輸出，發(fā)射機(jī)通常由前級(jí)AC/DC 與后級(jí)DC/AC 電路組成[2]。由于航空電源頻率通常為400 Hz，高頻特性有助于減少變壓器的體積重量，同時(shí)考慮到不控整流電源的高可靠性，通常航空發(fā)射機(jī)使用多脈動(dòng)整流電路作為前級(jí)電路，典型電路圖如圖1 所示。

圖1 多脈動(dòng)整流電路

后級(jí)電路通常采用橋式電路實(shí)現(xiàn)交流輸出，典型電路圖如圖2 所示。考慮航空發(fā)射機(jī)具有一定的功率量級(jí)，通常采用IGBT 器件作為橋式電路的主功率器件，橋臂輸出連接濾波網(wǎng)絡(luò)，視輸出電壓的要求可設(shè)置輸出變壓器[3]。電路還包含低壓電源，為主功率器件驅(qū)動(dòng)側(cè)低壓電路供電，通?？刹捎贸墒斓牡蛪弘娫茨K實(shí)現(xiàn)。

圖2 橋式電路

1.1 主要熱源

航空聲吶發(fā)射機(jī)內(nèi)部主要熱源有：前級(jí)AC/DC電路電源變壓器；前級(jí)AC/DC 電路整流橋；后級(jí)DC/AC 電路IGBT 功率器件；后級(jí)DC/AC 電路低壓電源模塊；后級(jí)DC/AC 電路濾波電感、輸出變壓器等。

1.2 熱源散熱設(shè)計(jì)

航空聲吶發(fā)射機(jī)傳導(dǎo)散熱設(shè)計(jì)的主要原則是將熱源的熱量通過傳導(dǎo)的方式散到機(jī)箱壁，以機(jī)箱壁作為散熱器實(shí)現(xiàn)熱量散發(fā)。通常內(nèi)部熱源采用直接緊貼機(jī)箱壁或者緊貼散熱器進(jìn)而傳導(dǎo)至機(jī)箱壁的方式實(shí)現(xiàn)散熱平衡。導(dǎo)熱過程中傳遞的熱量按照Fourier 導(dǎo)熱定律[4]計(jì)算：

式中，A為與熱量傳遞方向垂直的面積，Th、Tc分別為高溫與低溫面的溫度，δ為兩個(gè)面之間的距離，λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2.1 前級(jí)AC/DC 電路電源變壓器

由于元器件功耗主要以熱量形式耗散，故本文將功耗簡(jiǎn)化為熱功耗。

電源變壓器采用導(dǎo)熱膠灌封方式將變壓器熱量導(dǎo)至變壓器外殼，變壓器外殼貼發(fā)射機(jī)機(jī)箱底壁實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，散熱安裝方式如圖3 所示。根據(jù)式（1）～（2）設(shè)計(jì)接觸面積、材料等相關(guān)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)熱平衡，下文同理。

圖3 前級(jí)電路散熱安裝方式

材料的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響散熱效果，表1 列舉了常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)，由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)高且密度低，從散熱與重量方面綜合考慮，鋁在航空聲吶發(fā)射機(jī)中使用較多，另有一些新型材料如均溫板導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)800 W/(m·℃)，此類新型材料也開始在航空聲吶發(fā)射機(jī)中應(yīng)用。

表1 常用材料的導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·℃)

1.2.2 前級(jí)AC/DC 電路整流橋

正向壓降為vf，正向電流為if，發(fā)射機(jī)脈沖工作占空比為d，則整流橋熱功耗Tp為

由于多脈動(dòng)整流電路通常使用多個(gè)整流橋，從而分散了單個(gè)整流橋的工作功率，單個(gè)整流橋的熱功耗較低，可將整流橋安裝于散熱器上，散熱器熱量通過結(jié)構(gòu)件傳導(dǎo)至機(jī)箱壁，散熱安裝方式如圖3所示。

1.2.3 后級(jí)DC/AC 電路IGBT 功率器件

工作功率為p，器件最大額定功率為pt，總功率損耗為ptot，則IGBT 熱功耗Tp為

低壓電源模塊采用貼發(fā)射機(jī)機(jī)箱側(cè)壁的方式實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，散熱安裝方式如圖4 所示。

圖4 后級(jí)電路散熱安裝方式

1.2.5 后級(jí)DC/AC 電路濾波電感、輸出變壓器

與前級(jí)AC/DC 電路電源變壓器類似，根據(jù)式（2）可計(jì)算電感、變壓器熱功耗Tp。濾波電感或輸出變壓器采用導(dǎo)熱膠灌封方式將熱量導(dǎo)至外殼，外殼貼發(fā)射機(jī)機(jī)箱底壁實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，散熱安裝方式如圖4 所示。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述散熱設(shè)計(jì)，研制了傳導(dǎo)散熱型航空發(fā)射機(jī)實(shí)物樣機(jī)，在環(huán)境溫度70 ℃條件下先保溫2 h，使機(jī)箱內(nèi)部溫度達(dá)到環(huán)境溫度，再進(jìn)行發(fā)射機(jī)拷機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試了發(fā)射機(jī)內(nèi)部電源變壓器、整流橋、IGBT、低壓電源、濾波電感的溫升曲線如圖5～9 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)射機(jī)內(nèi)部主要熱源在拷機(jī)100 min 左右達(dá)到熱平衡，平衡溫度均在對(duì)應(yīng)器件工作溫度范圍內(nèi)。

圖5 電源變壓器溫升曲線

圖6 整流橋溫升曲線

圖7 IGBT 溫升曲線

圖8 低壓電源溫升曲線

圖9 濾波電感溫升曲線

3 結(jié)論

本文提出了利用傳導(dǎo)方式解決航空聲吶發(fā)射機(jī)散熱的思路，給出了一種適用于航空聲吶發(fā)射機(jī)的傳導(dǎo)散熱設(shè)計(jì)方法，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證方法有效。隨著聲吶探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，未來對(duì)聲吶發(fā)射機(jī)的功率等級(jí)與工作時(shí)長(zhǎng)將提出更高的要求，屆時(shí)發(fā)射機(jī)的散熱將面臨更大的挑戰(zhàn)，如何利用新型材料提高傳導(dǎo)散熱的效果將是航空聲吶發(fā)射機(jī)傳導(dǎo)散熱技術(shù)研究的一個(gè)新方向。