一种基于传导散热的航空声呐发射机的实现方法
时间：2023-06-09 11:35:11 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
徐怡 安莉 王重阳 宋世豪
（第七一五研究所，杭州，310023）
航空声呐[1]发射机尤其注重轻型化设计，同时其工作温度范围更宽，目前最宽工作温度范围要求已达-45～70℃。这给航空声呐发射机的散热设计带来困难。受体积重量的限制，一般航空声呐发射机很少采用液冷散热方式，目前常用的有开放式机箱风冷散热与密封式双层机箱风冷散热方式。前者由于机箱属于敞开式结构，容易在宽温度范围工作时在机箱内部形成冷凝水，从而导致内部电路绝缘下降甚至损坏；
后者需要在双层机箱之间形成风道，从而增加了发射机结构部分的体积与重量。本文针对以上问题提出了一种基于传导散热的航空声呐发射机实现方法，给出设计思路，并进行试验验证。
为实现特定频率与功率的波形输出，发射机通常由前级AC/DC 与后级DC/AC 电路组成[2]。由于航空电源频率通常为400 Hz，高频特性有助于减少变压器的体积重量，同时考虑到不控整流电源的高可靠性，通常航空发射机使用多脉动整流电路作为前级电路，典型电路图如图1 所示。
图1 多脉动整流电路
后级电路通常采用桥式电路实现交流输出，典型电路图如图2 所示。考虑航空发射机具有一定的功率量级，通常采用IGBT 器件作为桥式电路的主功率器件，桥臂输出连接滤波网络，视输出电压的要求可设置输出变压器[3]。电路还包含低压电源，为主功率器件驱动侧低压电路供电，通常可采用成熟的低压电源模块实现。
图2 桥式电路
1.1 主要热源
航空声呐发射机内部主要热源有：前级AC/DC电路电源变压器；
前级AC/DC 电路整流桥；
后级DC/AC 电路IGBT 功率器件；
后级DC/AC 电路低压电源模块；
后级DC/AC 电路滤波电感、输出变压器等。
1.2 热源散热设计
航空声呐发射机传导散热设计的主要原则是将热源的热量通过传导的方式散到机箱壁，以机箱壁作为散热器实现热量散发。通常内部热源采用直接紧贴机箱壁或者紧贴散热器进而传导至机箱壁的方式实现散热平衡。导热过程中传递的热量按照Fourier 导热定律[4]计算：
式中，A为与热量传递方向垂直的面积，Th、Tc分别为高温与低温面的温度，δ为两个面之间的距离，λ为材料的导热系数。
1.2.1 前级AC/DC 电路电源变压器
由于元器件功耗主要以热量形式耗散，故本文将功耗简化为热功耗。
电源变压器采用导热胶灌封方式将变压器热量导至变压器外壳，变压器外壳贴发射机机箱底壁实现热传导，散热安装方式如图3 所示。根据式（1）～（2）设计接触面积、材料等相关参数，最终实现热平衡，下文同理。
图3 前级电路散热安装方式
材料的导热系数直接影响散热效果，表1 列举了常用材料的导热系数，由于铝的导热系数相对高且密度低，从散热与重量方面综合考虑，铝在航空声呐发射机中使用较多，另有一些新型材料如均温板导热系数可达800 W/(m·℃)，此类新型材料也开始在航空声呐发射机中应用。
表1 常用材料的导热系数 W/(m·℃)
1.2.2 前级AC/DC 电路整流桥
正向压降为vf，正向电流为if，发射机脉冲工作占空比为d，则整流桥热功耗Tp为
由于多脉动整流电路通常使用多个整流桥，从而分散了单个整流桥的工作功率，单个整流桥的热功耗较低，可将整流桥安装于散热器上，散热器热量通过结构件传导至机箱壁，散热安装方式如图3所示。
1.2.3 后级DC/AC 电路IGBT 功率器件
工作功率为p，器件最大额定功率为pt，总功率损耗为ptot，则IGBT 热功耗Tp为
低压电源模块采用贴发射机机箱侧壁的方式实现热传导，散热安装方式如图4 所示。
图4 后级电路散热安装方式
1.2.5 后级DC/AC 电路滤波电感、输出变压器
与前级AC/DC 电路电源变压器类似，根据式（2）可计算电感、变压器热功耗Tp。滤波电感或输出变压器采用导热胶灌封方式将热量导至外壳，外壳贴发射机机箱底壁实现热传导，散热安装方式如图4 所示。
根据上述散热设计，研制了传导散热型航空发射机实物样机，在环境温度70 ℃条件下先保温2 h，使机箱内部温度达到环境温度，再进行发射机拷机试验验证，测试了发射机内部电源变压器、整流桥、IGBT、低压电源、滤波电感的温升曲线如图5～9 所示。试验结果表明，发射机内部主要热源在拷机100 min 左右达到热平衡，平衡温度均在对应器件工作温度范围内。
图5 电源变压器温升曲线
图6 整流桥温升曲线
图7 IGBT 温升曲线
图8 低压电源温升曲线
图9 滤波电感温升曲线
本文提出了利用传导方式解决航空声呐发射机散热的思路，给出了一种适用于航空声呐发射机的传导散热设计方法，经试验验证方法有效。随着声呐探测技术的进步，未来对声呐发射机的功率等级与工作时长将提出更高的要求，届时发射机的散热将面临更大的挑战，如何利用新型材料提高传导散热的效果将是航空声呐发射机传导散热技术研究的一个新方向。
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