（ZT）雷达电源结构的优化设计
上一篇 / 下一篇 2007-12-11 11:26:13 / 个人分类：电子散热
雷达电源结构的优化设计
摘 要：通过对雷达电源各个组成部分多层次的分析，从结构小型化、系列化、标准化等具体设计方法入手，阐明了雷达电源结构优化设计的可行性和重要性。
1 引 言
随着电子技术的日新月异，雷达技术的飞速发展，对各种雷达专用电源的需求量也在不断增加，对电源要求更是越来越高，尤其用于机载雷达中的电源分机，往往要求其具有体积小、重量轻、功率密度大等特点。而近年来雷达产品的多样化、生产批量化，使得电源在设计生产、更换和维修上也带来相当大的困难。同时，在实际工作中，发现电源的非标准设计太多，设计的继承性太少，深感电源结构标准化设计的重要性。解决当前电源设计上的不足已经迫在眉睫。
2 电源结构设计的小型化
电源结构的优化设计，首先就是要在条件允许的情况下尽可能将电源做小、做薄、做轻，为电源的模块化和标准化提供更好的条件。
2 ． 1 电源中各种元器件的小型化
在所有电源元器件中，变压器、电感的小型化是电源元器件小型化的难点，电容器的小型化同样也是一项关键技术。设计师往往会在设计中多次碰到这样的情况：一个电源本身元器件并不多，但由于变压器本身相对较大，使得电源厚度增加，甚至成倍的增大，造成雷达空间体积的一种浪费，电源本身也因此增重。如在前一阶段为某雷达研制的高压电源，整个电源重达四十几公斤，体积达 0 ． 04m3 ，其中变压器与电感就占去其体积的三分之一左右，使得其它电路的设计相当困难，也使得电源小型化设计的余地甚小。
目前，科技人员正在努力使这些元器件做得越来越小，采用多种磁性材料和工艺方法制造小型平面变压器和电感，在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（ BS ）下获得高的磁性能，许多新型产品也呼之欲出。当然，某些关键技术还需要大量的研究与探索，才能真正应用到雷达电源上。相信随着科技的进一步发展及制造工艺的不断创新，变压器等元器件会逐渐满足小型化设计的要求。
2 ． 2 电源电路设计的小型化与模块化
2 ． 2 ． 1 电路中各个功能单元的集成模块化
从总体上看，传统的电源大部分是由分立元件组装而成。由大量平铺的元件组成的电源不仅占的体积大，而且人工操作多，整机装配水平不高，有些电源内的接线、布线乱而不合理，工作可靠性差。因此将电源内那些功能相对独立的部分电路进行优化设计，利用先进的制造工艺集中封装模块化，不仅可以解决上述问题，而且可以使生产走向自动化，缩短了设计及开发的周期。模块化后的电路由于采用固态封装，整体结构紧凑，体积小，可靠性高，因此电路的模块化设计也成为电源设计中的一个新的方向。
电源分系统设计者可以把模块化的单元作为一个电源元件使用，并根据各自需要不外接或外接少量分立元件就可完成设计任务。目前，已经逐渐模块化的单元主要有 DC ／ DC 、 AC ／ DC 、 DC ／ AC 三种功率变换模块和电磁干扰滤波模块等。这些模块单元可以根据需要采用串、并联的方法获得更多种类和要求的电源系统，比重新设计出一套电源系统方便得多；且由多个小型模块组合而成的电源体积缩小了许多，使得电源整体结构小型化设计成为可能。
图 1 为某高压电源模块串联运行的示意图，图中每个逆变器就是一个性能相对独立的模块，五个 2kV 的高压整流模块，相互串联，输出 10kV 的电压，如果还需要增高电压也可再增加串联的整流模块。
另一种工作方式是模块的并联运行，但输出端间微小的电压差将引起很大的电流失衡量，所以在不允许电源出故障的重要设备内常采用电源的冗余技术，或者在并联电路中加入故障检测控制模块电路。
总之，电源各单元的模块化简化了电源电路设计，电源体积也变得越来越小。
2 ． 2 ． 2 电源整机的模块化
电源整机的模块化实际上就是一种系统的集成，将电源中的信息传输、控制、驱动、保护、智能电路和功率半导体器件等全部集成在一起变成模块，组成的元件之间不用导线连接而增加了可靠性，采用三维空间处理热量的方法来改善散热，就有可能将功率从低功率（几百瓦）提升到高功率（几十千瓦以上）。
电源整机模块化的结果使生产完全自动化成为可能，因而可以降低成本、形成批量生产。美国 VICOR 公司的第二代电源模块内部也改为模块式，达到高度集成化和全面电脑化，功率密度也从第一代不到 80W ／ in3 提高到 120W ／ in3 ，模块内元件数却只有第一代的 1 ／ 3 ，由原来的 115 个减少到 35 个，体积缩小了 60 ％。这些成功的经验说明，电源整机的模块化将为电源的电路设计和结构设计带来一场新的技术革命。
2 ． 3 电源散热结构的优化设计
电源系统的散热一直是设计者重视的问题。好的散热效果能够保持电源在低温下工作，提高电源工作的可靠性，增加电源的 MTBF （平均无故障时间），延长使用寿命。电源热设计的好坏不仅影响其工作性能，也是电源结构是否能实现小型化最直接、最重要的因素。
通常一台电源热设计的主要流程图如图 2 所示，图中散热器的优化设计是常规热设计中的关键技术。
2 ． 3 ． 1 在自然对流下的散热器优化设计
现以矩形直肋为例，作一简单分析与探讨。如图 3 所示，是从温度为 t0 的基板上伸出的 n 片矩形直肋散热器，单个肋片的横截面积为 A ，周长为 P ，肋宽为 b ，肋厚为 δ ，肋高为 H ，周围温度为 t∞ 的流体，表面传热系数为 h ，肋片材热导率为 λ ，肋间距为 S 与 S′ ，基板厚为 δ′ 、散热器高为 H′ ，且 H′ ＝ n （ δ ＋ S ）－ 2S ＋ S′ 。
通过导热微分方程，计算出单个直肋端部绝热时的散热量为：
图 4 为矩形直肋的效率曲线，由实际可知，短而粗的肋片效率高，但传热表面增加得不多，强化效果不显著；肋片细而长时，传热表面增加得多，但其效率低，没有充分发挥肋片作用。显然，肋片有一最佳尺寸，此时肋片表面积增加最多而肋片效率又不低，肋片强化传热效果最好。
散热器的优化可以表述为两种形式：
（ 1 ）在相同的散热量下求使花费材料体积最小的散热器形状；（ 2 ）在相同的材料体积下，求使散热量最大的散热器形状。散热器优化设计的最终目的是要在散热器尽可能小的情况下获得足够的散热量。由图 3 标出的矩形直肋的八个参数： n 、 b 、δ、 H 、 S 、 S’ 、δ ’ 、 H’ 作为八个参变量，当某一个或几个变量已经确定时，参变量相应减少，建构在给定材料体积下求最大散热量问题的数学模型公式，通过程序设计，由计算机进行优化计算，得到最佳散热器结构尺寸，然后计算出最大散热量，如果远大于设计要求则可将散热器缩小，重新由计算机算出，并最终得到体积最小、最佳结构尺寸的散热器，整个计算过程全部由计算机完成，方便快捷，具体计算方法参阅文献［ 4 ］。
实践中发现，并不是任何情况下加肋都有效，有时反而会使传热量减少，是否加肋通常根据毕渥数Bi的大小来判断，在综合考虑各种条件下，当 
时加肋对传热有利，由此可见，必须用热导率 λ 大的材料（如铝、铜等）做散热器，而且从强化传热的角度出发，肋片应装在传热系数 h 小的一侧，这与图 4 （肋片效率曲线图）相一致。
2 ． 3 ． 2 在强制对流下的散热器优化设计
可以选择气流速度较大条件下的小散热器，也可以选择气流速度较小环境下的大散热器。气流速度越高，由风机产生的噪音越大，但这个缺点可以通过获得较小的系统尺寸来补偿。值得注意的是：当气流速度大于 7m ／ s 时几乎不再加强冷却效果，相反，风机尺寸增大，得不偿失。图 5 为一典型的散热器热阻与空气流速的关系曲线图，同样可以建构强制对流下散热器的优化设计数学模型，通过分析计算，得到不同工作环境下各参数的优化结果（参见文献［ 5 ］）。
合理的选择气流速度、风机尺寸及安装位置、散热器大小，可以使电源整体尺寸变得最小。
由以上分析可知，通过不同条件下的经验公式可以近似算出散热器的散热情况，也可以通过计算机编程计算，更加精确的得到散热器的优化尺寸，但电源整体的热分布情况却不太清楚，如果能结合使用热设计软件 PLOTHERM 进行分析计算，情况就大不一样。该软件通过在有限体积内根据划分网格的多少，进行热设计理论分析，经过计算机的快速计算得到一系列温度收敛曲线，在自然对流或强制对流下，动态模拟电源机箱内流体粒子的流动情况。图 6 模拟了强制对流下简易机箱的空气粒子的流动状况，通过分析，可以看出散热器的散热状况不够理想，只要采用调整风机位置、加风道、改变散热器大小、风机改成吹风等简单的方法，就能使散热器的散热情况得到改善。软件还有强大的后处理功能，通过设定可视化温度平面动态显示整个电源内部的温度分布情况，同时也可以精确地知道某一点的温度。
因此，通过该软件的分析计算，可以得到比较合理的热设计的初始方案，再经过其它方法的补充和修正，就可以更快更好地进行散热器的优化设计、电源的优化设计和小型化设计。
3 电源结构的三化设计与标准化
3 ． 1 电源结构的通用化、系列化
一般情况下，根据雷达的工作环境和具体要求设计出相应的电源，不同的电源适应不同的工作环境，这就给电源的通用化带来难处，而且在很多情况下将电源通用会带来成本的浪费。因此我们可以先在同类雷达系统中实现电源的通用，这在现代许多雷达系统中已经可以实现。当然，随着电源技术的不断提高，电源制作成本的不断降低，可以大量生产出成本低、工作性能稳定、适用范围广的电源时，实现雷达电源通用化就要容易得多。
另一方面，由于大部分雷达都是单套或几套进行研制和生产，所以很多电源设计时都只考虑满足当时设备的需要，不能进行系列化，以后遇到新的雷达系统时，不易整改和利用原有设计，这给设计、维修带来诸多不便，尤其是雷达批生产后，这个问题显得更为突出。
根据以往的实践，结构系列化的电源主要有插箱式、插件式、平面安装式等。前两种电源目前已形成部分尺寸系列，但还远远不够，并且这些系列电源主要用在大型雷达或机柜中，而在机载等雷达系统中还需开发更多品种的系列电源，以满足实际需要。平面安装式电源是目前品种最多、设计量最大、更换和维修都不方便的电源。它通常为底面带安装孔的多面体外形，有时候形状很不规则，一般在整机设计时给出空间小、尺寸多变的结构条件，电源设计重复性多、工作量大。如果有标准的系列化尺寸，由总体和分系统共同选用，则设计过程将截然不同，总体和分系统也可同时进行各种结构设计。
实现系列化是对电源结构尺寸的一种优化，减少了大量的非标准设计，为标准化设计提供了条件。
3 ． 2 电源结构的组合化
前面提到电源整机的模块化实际上是组合化的一种高级形式，用模块化的整机电源又可以很方便地组合成一个新电源，而且体积小、形状规则，便于设计安装。
然而，整机电源系统高度集成模块化在现代雷达系统中还不是很多，因此，我们通常用已有的系列化电源组合新的电源，这比重新设计一台电源要简单得多。为了更好地利用组合化的优势，需要设计出更多的系列电源。合理的开发和利用三化电源产品，可以大大缩短电源的研制周期，更容易形成批量生产，降低电源的生产成本。
3 ． 3 电源结构的标准化
这里所指的标准化，实质就是将那些设计合理、重量轻又能很好满足电设计要求的电源结构规定为标准结构，一般来说，这些标准电源来自于三化电源，它们被用于随后的研制与生产之中，为结构的继承性、重复性、典型性和划一性创造了良好的条件。
目前，许多电源技术已经相对成熟，常用的普通电源已有相当数量的标准件可供选择，但雷达专用电源在这方面还很欠缺。因此，我们可以根据目前的技术确定电源功率密度的大小，并制定出一系列电源结构的标准，根据输出功率的大小来选择电源体积的范围，为使用者提供可选电源手册，代替现在任务书式的滞后设计，这样，选用电源就如同选用风机一样方便，设计师也就有更多的时间用于开发和研制新产品，并及时根据最新技术制定和修正原有的标准。
当今雷达技术的进步和生产的批量化，使得标准化设计越来越重要。现在标准化的电源和结构尺寸形式还很少，许多雷达电源一旦损坏，经常很难找到合适的电源来更换，甚至还要将原先的产品重新投产，延误了雷达整机的正常工作，费时费力。而实现标准化设计后，就可以生产出一定数量的标准电源备份件，不仅不会造成浪费，而且可以避免大量的重复劳动，大大增强了雷达电源的通用性、互换性、和维修性，提高了整个雷达系统生产的效率。
4 结束语
雷达电源的小型化、模块化、标准化是当今电源发展的总体趋势。电源结构的优化设计水平越高，则在雷达中采用的标准电源就会越来越多，这有利于缩短电源产品及雷达整机的研发周期，节约大量的原材料，提高雷达电源系统的工作性能，为整个雷达系统更安全、可靠的工作提供了保障。
来自: 电源谷 www.dianyuangu.com
参考文献
［ 1 ］赵惇殳 . 电子设备结构设计原理［ M ］ . 南京：江苏科学技术出版社， 1986.
［ 2 ］庚雷 . 新一代电源模块［ J ］ . 电源世界 ,2000(11).
［ 3 ］戴锅生 . 传热学［ M ］ . 北京：高等教育出版社， 1999.
［ 4 ］赵惇殳 . 散热器的优化设计［ J ］ . 电子机械工程 ,1993 （ 5 ） .
［ 5 ］谢少英 . 型材散热器的优化设计［ J ］ . 电子机械工程， 2001 （ 3 ） .
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