朱 俊

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)干式高壓電源模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

朱 俊

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中從高壓電源組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絕緣設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等幾方面對機(jī)載行波管發(fā)射機(jī)高壓電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，提出了一種插拔式模塊化結(jié)構(gòu)形式，其內(nèi)部采用了大面積灌封及陶瓷焊接等多種新材料和技術(shù)。該高壓電源模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)代機(jī)載發(fā)射機(jī)對高壓電源在功能性、維護(hù)性、體積及重量等方面的嚴(yán)格要求，同時該高壓電源也經(jīng)過了充分的可靠性試驗(yàn)，證明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，適用范圍廣。

高壓電源；模塊化；絕緣；散熱；灌封

引 言

機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)傳統(tǒng)上將高壓電源設(shè)計(jì)成油箱的結(jié)構(gòu)形式，利用液體介質(zhì)(如變壓器油、硅油)相對介電強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，完成對發(fā)射機(jī)的高壓器件絕緣及輔助散熱設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)的主要問題是難以保證體積小、重量輕，其次是在高空復(fù)雜環(huán)境下有漏油的隱患。因此為了滿足新型機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)體積、重量及維護(hù)方面的要求，必須為高壓電源組件尋找新的結(jié)構(gòu)形式及絕緣、散熱方法。

1 組件結(jié)構(gòu)形式

1.1 組件外形結(jié)構(gòu)

從機(jī)載發(fā)射機(jī)長時間的可靠性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)射機(jī)故障很大一部分是由高壓電源引起的，因此該部分器件的可靠性、維護(hù)性和互換性在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要。

通過與整個發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)的綜合考慮，本文介紹的高壓電源組件結(jié)構(gòu)在外形上采用了L形金屬外殼封裝的模塊化形式，可以單獨(dú)組裝、調(diào)試，并且組件具有一定的插拔功能。該組件內(nèi)部同時擁有低電壓器件和高電壓器件，為了便于更換和減少電纜數(shù)量，其與發(fā)射機(jī)的電連接分別采用了特殊結(jié)構(gòu)形式的矩形低電壓連接器和微型高電壓連接器。整個模塊通過上下導(dǎo)槽裝入發(fā)射機(jī)后通過發(fā)射機(jī)架底部的2個鎖緊裝置與高壓電源模塊下部導(dǎo)槽鎖緊，模塊前部有2個螺套、4個緊固螺釘與機(jī)架緊固。矩形電連接器采用鋼材外殼和帶雙導(dǎo)銷的盲插結(jié)構(gòu)，其插頭裝在模塊尾部，可以直接與裝在發(fā)射機(jī)內(nèi)部的走線背板上的插座插拔式連接。這種特殊結(jié)構(gòu)的矩形電連接器在模塊插拔時具有定位作用，同時在振動狀態(tài)下能夠減小模塊的振動響應(yīng)。同時針對整個高壓電源模塊的高熱耗，該模塊組件還設(shè)計(jì)有一體化的風(fēng)冷翅片散熱板。高壓電源組件結(jié)構(gòu)外形見圖1。

圖1 高壓電源組件結(jié)構(gòu)外形

1.2 內(nèi)部器件安裝結(jié)構(gòu)

由于高壓電源模塊內(nèi)部器件同時帶有高低電壓，因此在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時把高低電壓電路上下、前后分開布局，分別安裝高電壓器件和低電壓器件。不同功能的內(nèi)部器件在結(jié)構(gòu)上都設(shè)計(jì)成相對獨(dú)立組件，在模塊內(nèi)部又形成各自獨(dú)立的安裝結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式有利于根據(jù)內(nèi)部組件各自不同的電性能采用適合各組件的絕緣和散熱方法，而且能減少相互間的干擾，特別有利于安裝維護(hù)。

1.2.1 輔助電路的結(jié)構(gòu)形式及安裝

該部分電路包括1塊采樣印制板、1個開關(guān)變壓器和1個高壓隔離電容。設(shè)計(jì)時為了適應(yīng)模塊的結(jié)構(gòu)安裝形式，采樣印制板外形采用L形狀，并且印制板整體安裝在絕緣材料盒體內(nèi)，然后作為單獨(dú)的組件裝入高壓電源模塊上部，如圖2所示。

圖2 輔助電路安裝結(jié)構(gòu)示意圖

開關(guān)變壓器內(nèi)部磁芯相對較脆，又有大約2 kV的輸出電壓，因此采用導(dǎo)熱環(huán)氧膠把磁芯與金屬安裝板灌封成一體。通過金屬地板的4個安裝孔把變壓器固定在高壓電源模塊盒體的底部。

高壓隔離電容由非金屬材料封裝成矩形，通過自身一體設(shè)計(jì)的4個安裝孔固定在盒體底部，如圖2所示。

1.2.2 高壓倍壓組件的結(jié)構(gòu)形式及安裝

高壓倍壓組件包括倍壓整流組件、6個高壓電容及金屬安裝盒。由于該組件具有高電壓、高熱耗的特點(diǎn)，并且外形體積限制嚴(yán)格，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，把組件內(nèi)倍壓電路板分為2部分，需要焊接的器件全部布置在2塊倍壓板上，倍壓板通過導(dǎo)熱襯墊緊貼金屬盒底部。2個倍壓電路板上都焊有對接高壓電容的插座。6個高壓電容通過自身一體設(shè)計(jì)的插頭插在倍壓電路板的插座上實(shí)現(xiàn)電連接，同時高壓電容兩側(cè)設(shè)計(jì)有支耳與金屬盒內(nèi)部的凸臺連接加固，3部分組裝成一個整體后安裝在高壓電源盒內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)形式可以大大簡化該部分組件的安裝布局，并且可以單獨(dú)調(diào)試，便于維護(hù)，使整個組件的體積、重量比以往類似功率高壓電源減少約30%，如圖3所示。

圖3 高壓倍壓組件安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2 高壓電源模塊的絕緣設(shè)計(jì)

2.1 整體的絕緣設(shè)計(jì)

該高壓電源組件受體積限制，內(nèi)部高、低電壓器件間距較小，常規(guī)的空氣絕緣已不能滿足使用環(huán)境的要求，因此在整個高壓電源模塊內(nèi)都灌注有導(dǎo)熱絕緣膠輔助絕緣。同時為了防止內(nèi)部高、低電壓器件在低氣壓環(huán)境下出現(xiàn)放電、爬電現(xiàn)象，在方案設(shè)計(jì)時，整個模塊的外部盒體采用全密封結(jié)構(gòu)。L型金屬外殼采用銑加工成形，組件的對外低電壓連接器內(nèi)部都采用陶瓷燒結(jié)，高電壓連接器內(nèi)部采用環(huán)氧膠灌封密封，兩種連接器與盒體間都采用O型密封圈進(jìn)行氣密封。整個盒體與蓋板間也安裝了平面硅橡膠材料制作的密封圈。為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的氣密封效果，盒體裝配完成后，向其腔體內(nèi)充入0.12 MPa相對氣壓氣體，并把金屬盒放入4 kPa、-55 ℃的低氣壓環(huán)境中，2 h后測得盒體內(nèi)部氣壓約為0.11 MPa。試驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)形式的盒體完全滿足機(jī)載低氣壓條件下組件可靠工作的要求。

2.2 采樣電路板的絕緣設(shè)計(jì)

該電路最高電壓為12 kV，內(nèi)部同時包含的高、低電壓器件間的電壓差達(dá)到11 kV，因此在電路設(shè)計(jì)時首先將兩部分電路分布在L型的兩端(如圖2所示)，上部為高電壓，下部及右側(cè)為低電壓，并且在兩部分之間設(shè)計(jì)有隔離槽增加絕緣和爬電距離。由于印制板上的高電壓器件與金屬機(jī)殼距離較近，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時把整個印制板安裝在絕緣材料制成的L型盒體內(nèi)，與外部其余低電壓組件隔離。該絕緣材料的介電強(qiáng)度大于18 kV/mm，考慮到局部尖端放電，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時盒體采用3 mm厚度絕緣材料，同時該電路板與非金屬盒體都被包裹在導(dǎo)熱絕緣膠內(nèi)，以增加與周邊金屬材料間的絕緣強(qiáng)度。

2.3 高壓隔離電容的絕緣設(shè)計(jì)

高壓隔離電容內(nèi)部電壓最大達(dá)到12 kV，由于其安裝位置緊貼金屬盒側(cè)壁(如圖2所示)，空氣已不能滿足絕緣要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，首先采用耐壓達(dá)到18 kV/mm的導(dǎo)熱絕緣膠把電容內(nèi)部高電壓器件灌注成一體，然后再用耐高溫絕緣材料包裹整體。電容的高壓輸出、輸入都采用耐壓達(dá)到25 kV的硅橡膠材料包裹的高壓導(dǎo)線。既能滿足絕緣要求，又便于結(jié)構(gòu)安裝和電裝。

2.4 高壓倍壓組件的絕緣設(shè)計(jì)

該組件內(nèi)的高電壓器件都排布在緊貼金屬盒底部的2塊倍壓電路板上，因此通常電路設(shè)計(jì)采用的覆銅環(huán)氧玻璃布層壓板已不能滿足絕緣需求。該處采用2 mm陶瓷材料作為底板，在其上面鋪設(shè)線路，高電壓器件都焊接在陶瓷板上。該陶瓷基板的擊穿電壓達(dá)到36 kV，而器件最高電壓為12 kV，很好地解決了高電壓器件與金屬底板垂直方向間的絕緣問題。另一方面由于焊接在倍壓電路板周邊的高電壓器件離金屬底板和側(cè)板較近，干燥空氣已無法滿足器件側(cè)面絕緣和爬電要求。經(jīng)過市場調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，采用ZB6127有機(jī)導(dǎo)熱絕緣硅膠灌注包裹住2塊倍壓電路板。該有機(jī)導(dǎo)熱絕緣膠分為A、B兩組，按1∶10比例混合后，在一定溫度下可以硫化成半透明的彈性體，硫化前粘度低，便于灌注，收縮率小，無腐蝕性，在環(huán)境溫度-60 ℃ ～ 250 ℃間擊穿電壓達(dá)18 kV/mm，很好地滿足了絕緣需求。同時該導(dǎo)熱絕緣膠固化后與陶瓷基板也有很好的結(jié)合力，能有效防止爬電現(xiàn)象。該膠固化后成半透明狀且硬度較低，在模塊損壞時也便于內(nèi)部器件的觀測維修及測試。

通過以上各項(xiàng)絕緣設(shè)計(jì)，整個高壓電源組件通過了惡劣的高低溫及低氣壓環(huán)境實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了使用的絕緣材料、設(shè)計(jì)方案都能很好地解決高壓電源模塊內(nèi)部的各種絕緣問題。

3 高壓電源模塊的散熱設(shè)計(jì)

3.1 模塊整體散熱設(shè)計(jì)方案

該高壓電源模塊的金屬盒外側(cè)壁設(shè)計(jì)有與盒體焊接成一體的翅片式風(fēng)冷板。模塊內(nèi)的主要散熱器件都安裝在風(fēng)冷板盒體內(nèi)側(cè)，器件的熱量主要通過金屬底板傳導(dǎo)至風(fēng)冷板內(nèi)，再通過外部的供風(fēng)把熱量帶走，如圖4所示。

圖4 內(nèi)部組件散熱結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 主要器件的散熱設(shè)計(jì)

該模塊內(nèi)的主要發(fā)熱器件是高壓變壓器和高壓倍壓組件，前者熱耗約為20 W，后者熱耗約為200 W。

高壓變壓器由磁芯、線圈及金屬底板灌注成型。磁芯及線圈產(chǎn)生的熱量首先傳導(dǎo)至變壓器底部的金屬底板，再通過金屬底板傳導(dǎo)至風(fēng)冷板，見圖4、圖5。

圖5 內(nèi)部組件散熱結(jié)構(gòu)示意圖

高壓倍壓組件里的高熱耗器件都焊接在陶瓷材料的基板上，該陶瓷材料的導(dǎo)熱率大于25 W/(m·K)，能迅速把局部熱量擴(kuò)散至整個基板，再通過金屬盒底部傳導(dǎo)到風(fēng)冷板，如圖4、圖6所示。

圖6 高壓倍壓組件散熱結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 高壓電源模塊的散熱簡算和驗(yàn)證

該高壓電源模塊的總熱耗小于230 W。發(fā)射系統(tǒng)提供給高壓電源模塊的風(fēng)量為35 ～ 40 kg/h，供風(fēng)溫度25 ℃，按以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取模塊風(fēng)冷板進(jìn)出口風(fēng)溫溫差為30 ℃。按最低供風(fēng)量和最高進(jìn)風(fēng)溫度計(jì)算強(qiáng)迫風(fēng)冷可帶走的熱量Q= 1 058.4 kJ/h = 294 W。

通過計(jì)算可以看出外部供風(fēng)帶走的熱量大于模塊本身的熱耗，可以滿足模塊的散熱需求。為了驗(yàn)證計(jì)算的有效性，把該高壓電源放入環(huán)境溫度70 ℃的環(huán)境中，外部供風(fēng)溫度為30 ℃，風(fēng)量35 kg/h，模塊滿功率工作0.5 h后冷板出風(fēng)口平均溫度約為60 ℃，1 h后約為62.7 ℃，2 h后約為62.7 ℃，并且該高壓電源各項(xiàng)電訊指標(biāo)都滿足要求，因此發(fā)射系統(tǒng)為該模塊供給的風(fēng)量和風(fēng)溫完全滿足實(shí)際散熱需求。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種新型機(jī)載干式高壓電源組件的模塊化、一體化結(jié)構(gòu)形式。該組件采用了許多創(chuàng)新的材料和技術(shù)，使其體積、重量及性能都達(dá)到或接近國外同類產(chǎn)品，同時其特殊的模塊化插拔安裝形式有利于組件的大批量生產(chǎn)、調(diào)試和外場互換，適應(yīng)范圍廣，已在多個機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)射機(jī)中應(yīng)用，具有良好的工作可靠性和穩(wěn)定性。

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朱 俊(1976-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)方面的研究工作。

Modular Structure Design of Solid High Voltage Power Supply for Airborne Radar Transmitter

ZHU Jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The structure design of high voltage power supply of airborne traveling wave tube transmitter is discussed in detail from the aspects of composition, structure design, insulation design and thermal design of high voltage power supply. A plug-in type modular structure is put forward. The interior of the structure uses large area potting, ceramic welding and other new materials and technologies. The structure design of the high voltage power supply module meets the strict requirements of function, maintenance, volume, weight and so on of the power supply in modern airborne transmitter. The high voltage power supply is also verified by sufficient reliability test. The structure design has good stability and maintainability, and can be widely applied in other areas.

high voltage power supply; modularization; insulation; heat dissipation; embedding

2016-08-25

TN957.3

A

1008-5300(2016)06-0045-03