航空航天電源技術(shù)精選(九篇)

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第1篇：航空航天電源技術(shù)范文

關(guān)鍵字： DC/DC變換器； 有限元法； 熱設(shè)計(jì)； 熱分析

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0035?04

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，在所有實(shí)效的電子設(shè)備中，其中由溫度過高導(dǎo)致實(shí)效的比例占到了55%，在電子設(shè)備使用過程中，過熱引起的損壞是最主要的故障形式[1]。隨著溫度的升高，電子設(shè)備的失效率也會不斷提高，有的元器件失效率甚至?xí)S著溫度提高10 ℃就提升一倍，所以被人們稱為十度法則[2]。針對電子設(shè)備的溫度加以設(shè)計(jì)，從而有效控制其熱損壞故障是提高電子設(shè)備使用穩(wěn)定性的重要途徑。尤其是對于航天電子系統(tǒng)而言，要求極高的穩(wěn)定性，因此必須進(jìn)行熱控制。隨著人們對電子設(shè)備熱控制的日益重視，熱設(shè)計(jì)在電子設(shè)備整體設(shè)計(jì)中的地位也越來越重要。通過對電子設(shè)備進(jìn)行可靠的熱分析能夠降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，并極大的縮短電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

1 熱分析基本理論

2 熱源分布及其損耗分析

2.1 功率器件的損耗

通常來看，功率器件的損耗主要有開關(guān)、導(dǎo)通及柵極驅(qū)動損耗。在表征功率器件中，熱阻和結(jié)溫是主要的熱能力參數(shù)。要想確保功率器件的穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)器件的可靠性能，就應(yīng)該確保其半導(dǎo)體組件工作于額定結(jié)溫條件下。

半導(dǎo)體組件的額定最高結(jié)溫大小是由器件的芯片、封裝等材料決定的。熱阻是表達(dá)功率器件散熱能力的主要指標(biāo)。通常情況下，熱阻越大則表示其散熱能力越差。熱阻可以分為兩個部分，即內(nèi)熱阻和外熱阻。內(nèi)熱組是功率器件本身的熱阻；外熱阻是與管殼封裝形式相關(guān)的。一般外熱阻與管殼的表面積成反比。在對功率器件的熱控制進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，主要分為以下幾個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：內(nèi)部芯片熱設(shè)計(jì)、封裝、管殼及實(shí)用熱設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中，主要是針對器件進(jìn)行實(shí)用熱設(shè)計(jì)，通過對功率器件的熱損耗進(jìn)行計(jì)算，從而設(shè)定科學(xué)的散熱布局和電路布局，以有效的增強(qiáng)功率器件的散熱，確保器件能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.2 變壓器及電感的損耗

眾所周知，變壓器和電感結(jié)構(gòu)大致是一樣的，本文中主要針對電感損耗進(jìn)行研究。

一般情況下，電感損耗主要來自磁芯損耗，也就是鐵損；還有就是來自電感繞組的損耗，也就是銅損。開關(guān)電源中的高頻交流電，會產(chǎn)生電流的趨膚效應(yīng)，隨著電感繞組頻率的增加，其電阻也會逐漸增大[5]。所以，在對銅損耗進(jìn)行計(jì)算時就會包含兩個部分損耗，即直流電阻與交流電阻損害。要想切實(shí)提高變壓器及電感的功率密度及熱性能，以防止熱失效，應(yīng)對其封裝技術(shù)、散熱技術(shù)、熱模型以及溫度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等熱設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

3 印制板及關(guān)鍵元器件的散熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)的目的是控制電子設(shè)備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過規(guī)定的最高允許溫度。高溫對大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，它會導(dǎo)致電子元器件的失效，進(jìn)而引起整個設(shè)備的失效。重視航天電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)工作，能夠通過對電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，達(dá)到消除可靠患，提高產(chǎn)品可靠性的效果。

3.1 印制板的散熱設(shè)計(jì)

印制板是電子設(shè)備中一個極其重要的組成部分，其熱設(shè)計(jì)是否科學(xué)，對電路性能有著嚴(yán)重的影響，也是引發(fā)電子設(shè)備失效的重要因素之一。

首先，印制板的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意結(jié)構(gòu)和布局的合理，以多層PCB板結(jié)構(gòu)為最佳。采用散熱印制板能夠提升其導(dǎo)熱能力，在多層結(jié)構(gòu)印制板中間加入金屬夾芯板，能夠提高多層板到散熱件的散熱性能。采用較大的焊盤置于板上的接地安裝孔，能夠使表面以及安裝螺栓的散熱性能提高。最大限度增加金屬化過孔來輔助散熱。

3.2 關(guān)鍵元器件的散熱設(shè)計(jì)

印制板上的元器件如何布置對于散熱來說有很大的作用。應(yīng)該最大限度地在PCB板上均勻分布功率器件，避免板上熱點(diǎn)集中，確保板表面的溫度性能均勻。在進(jìn)行實(shí)用設(shè)計(jì)時，要想實(shí)現(xiàn)分布的均勻存在較大的困難，但一定要避免熱量集中或某區(qū)域功率密度較高。對于功耗較高發(fā)熱量較大的器件，采用有效的散熱措施，通過有效的散熱途徑導(dǎo)出其熱量，降低工作溫度，進(jìn)而滿足溫度降額要求。

對于放置在PCB板下方的功率元器件，可在機(jī)殼底板對應(yīng)的位置增銑凸臺，使發(fā)熱器件與機(jī)殼間的距離減少到0.3 mm以內(nèi)，在兩者的接觸面之間填充0.38 mm導(dǎo)熱墊和導(dǎo)熱硅脂，使熱量以熱傳導(dǎo)方式導(dǎo)出。其散熱路徑示意圖見圖1。

4 ANSYS熱仿真軟件

ANSYS軟件是建立在FEM基礎(chǔ)之上的大型計(jì)算軟件，其應(yīng)用遍布國內(nèi)外諸多領(lǐng)域的工程中。采用該軟件計(jì)算出的結(jié)果相對可靠，圖表更加簡單?，F(xiàn)階段，該軟件是應(yīng)用最為廣泛的工具軟件，它能夠針對不同領(lǐng)域的不同問題加以統(tǒng)計(jì)和分析，除了具備十分強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析功能之外，還能夠?yàn)槠渌I(lǐng)域的計(jì)算提供專業(yè)的分析和計(jì)算方法[6]。

ANSYS的熱分析是建立在能量守恒基礎(chǔ)之上的熱平衡方程，通過對各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的溫度分布進(jìn)行計(jì)算和采用有限元法進(jìn)行分析之后，推導(dǎo)出相關(guān)的物理參數(shù)。

5 實(shí)例分析

5.1 DC/DC變換器建模

DC/DC變換器采用六面體結(jié)構(gòu)，外形尺寸為：130 mm×110 mm×3 mm。DC/DC變換器殼體材料為2A12硬鋁合金，具有強(qiáng)度高、重量輕、導(dǎo)熱好、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮到主要發(fā)熱元器件的散熱問題，將這些器件均安裝在電源底部和電源殼體側(cè)壁，以便更好的散熱。由于計(jì)算是針對模塊建立計(jì)算物理模型，考慮到計(jì)算的可行性對模型進(jìn)行一定的簡化。建立計(jì)算物理模型時，做如下假設(shè)和簡化：

（1）印制電路板認(rèn)為正交同性材料，導(dǎo)熱系數(shù)按等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算；

（2）功率管襯底為長方體，芯片置于襯底上，兩者間填充絕緣層；

（3）磁性件外形為圓筒形，內(nèi)徑為不計(jì)環(huán)氧樹脂固封時的內(nèi)徑、外經(jīng)為包括環(huán)氧樹脂固封層厚的直徑，高為安裝高度；

（4）機(jī)架上圓弧過渡，半圓面認(rèn)為是直角及平面。

5.2 仿真的主要參數(shù)

（1）環(huán)境參數(shù)：電路外部環(huán)境溫度為20 ℃；熱傳遞只考慮熱傳導(dǎo)。

（2）材料參數(shù)：該模塊涉及的各部分材料參數(shù)如表1所示。

（3）功耗參數(shù)：本例DC/DC變換器產(chǎn)品的額定功率為50 W，根據(jù)估算效率為80%，計(jì)算得到熱耗為12 W，現(xiàn)取其中5個元器件，其功耗值見表2。

5.3 熱仿真結(jié)果與紅外成像儀測試結(jié)果對比分析

使用ANSYS有限元分析軟件，取熱條件最惡劣的情況即功率器件工作，真空條件，忽略輻射。該DC/DC變換器產(chǎn)品工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時溫度分布云圖見圖3。圖中可以清晰地看出，變壓器的熱量最高，溫度為36.5 ℃。

紅外攝像法是通過紅外攝像機(jī)進(jìn)行物體照片拍攝，進(jìn)而分析照片，將各種紅外輻射加以轉(zhuǎn)換，通過光學(xué)信號表示出來，從而使人明確物體表面的溫度分布和相關(guān)參數(shù)。采用熱輻射原理進(jìn)行溫度的測量，不僅需要測量元件與介質(zhì)的接觸，不會對被測介質(zhì)的溫度場形成影響，而且具有較快的反應(yīng)速度；但這種方法會受到物體表面的測量距離、發(fā)射頻率及環(huán)境等因素的影響。

在本實(shí)驗(yàn)中采用的紅外測試儀器IR913A型紅外熱成像儀。它是利用對物體表面微紅外輻射強(qiáng)度的測量，間接地計(jì)算得到定量的溫度分布值，并用彩色圖像來表達(dá)穩(wěn)態(tài)溫度場的分布。紅外測試實(shí)驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)見表3。圖4是在產(chǎn)品通電工作時拍攝得到的紅外圖像，拍攝時的環(huán)境溫度為20 ℃。將紅外測試結(jié)果與熱仿真結(jié)果進(jìn)行比較，見表4。

對比結(jié)果，得出測試結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差沒有超過10%。這是由于在仿真建模的過程中，在此對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了簡單的處理，將其與熱邊界條件進(jìn)行了近似處理，其準(zhǔn)確度與實(shí)際參數(shù)必定會有所差異。但從整體上看，仿真結(jié)果具有一定的熱設(shè)計(jì)意義，與相關(guān)要求相符。這也充分表明，采用建模的方式，能夠近似的模擬出既定條件下的測試結(jié)果。尤其是在某些區(qū)域，不僅需要明確熱點(diǎn)所在位置，而且必須明確其規(guī)模大小，這樣，就能夠使熱仿真結(jié)果具有更強(qiáng)的參考意義。

6 結(jié) 論

為解決DC?DC變換器的熱可靠性問題，本文結(jié)合實(shí)際例子，利用仿真軟件，模擬了電路內(nèi)部的溫度場分布特性。仿真結(jié)果為電路的初期熱設(shè)計(jì)或后期散熱性能的進(jìn)一步改善提供了依據(jù)，可為熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，推動設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

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第2篇：航空航天電源技術(shù)范文

與此同時，越來越多的汽車開始采用電能驅(qū)動。和化石燃料相比，電力有更多的優(yōu)勢，例如驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、成本更低，以及更加環(huán)保。也許是受到這些優(yōu)勢的吸引，航空業(yè)也開始尋求新的解決之道，電力飛機(jī)終進(jìn)人們的視野。

現(xiàn)在已經(jīng)有了一些很有前途的電力飛行器。以這種發(fā)展趨勢來看，也許在未來十年之內(nèi)，小型電力飛機(jī)就會部分取代現(xiàn)在家用轎車的地位，成為常見的出行方式，而2010年后出生的孩子們，也許會被稱為“機(jī)艙里的一代”。

逐日

2010年7月9日，Zephyr無人機(jī)上天，直到23日才降落下來。這架飛機(jī)來自英國國防技術(shù)企業(yè)Qinetiq，只有50公斤重，翼展卻有22.5米。它僅靠自己的動力甚至無法起飛，但是卻刷新了太陽能無人機(jī)的最長不間斷飛行時間紀(jì)錄：整整兩個星期，336小時。

Zephyr是一架原型機(jī)，將來可能用于軍事或者通訊用途。無人太陽能飛機(jī)的歷史可以回溯到上世紀(jì)70年代，以Sunrise和Solar Riser為代表的太陽能飛機(jī)被用于偵查或者科考用途，在今天電子技術(shù)和微型計(jì)算技術(shù)的幫助下，它們的性能已經(jīng)相當(dāng)令人滿意。

與之相比，載人太陽能飛機(jī)要走的路，還要更長一些。就在Zephyr起飛前一天的早上，Solar Impulse號剛剛安全降落，駕駛員Andr e Borschberg打開駕駛艙蓋，向圍觀的人們揮手致意，臉上是滿滿的倦意一一他剛剛經(jīng)過了26小時零9分鐘的不間斷飛行，這也是載人太陽能飛機(jī)的最好成績。

雖然Solar Impluse的飛行時間只有Zephyr的十三分之一，但是它的體積卻大得多。它的翼展長達(dá)63.4米，長21.85米，而重量卻只有1600公斤，和一輛家用轎車差不多。為了滿足夜間飛行的需要，它安裝了400公斤重的鋰離子聚合物電池組，占了總重的四分之一。

在今天的電動飛機(jī)中，電池的重量是最重要的制約因素。汽油的能量密度能夠達(dá)到每公斤12.5千瓦時，即使按照30％的能量轉(zhuǎn)化率計(jì)算，也有每公斤3.75千瓦時：而Solar Impluse使用的鋰離子聚合物電池，能量密度卻只有每公斤0.22千瓦時。換言之，電動飛機(jī)需要17公斤的電池，才能提供相當(dāng)于一公斤汽油燃燒產(chǎn)生的能量。

很顯然，為了彌補(bǔ)電池的弱點(diǎn)，電動太陽能飛機(jī)需要輕而堅(jiān)固的機(jī)身。Solar Impluse的項(xiàng)目組用蜂巢狀的碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)身，以碳纖維材料制成翼肋，在上面鋪滿了150微米厚的太陽能電池板――一共用去了11628塊。為了在供能和重量間取得的最好的平衡，這架翼展相當(dāng)于空中客車A340的龐然大物，只有一個1.3平方米的駕駛艙，只能容納一個人。

現(xiàn)在這架纖細(xì)如蜻蜓般的飛機(jī)能夠以每小時70公里的平均速度飛行，最大高度達(dá)到8500米。它擁有四個10馬力電動機(jī)，每個電動機(jī)都有自己的電池組和調(diào)節(jié)充放電以及溫度的控制系統(tǒng)，以及一個直徑3.5米的雙輪葉式螺旋槳。螺旋槳的轉(zhuǎn)速控制在每分鐘200到400轉(zhuǎn)，以避免過大的噪音和強(qiáng)烈的震動。以目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，Solar Impluse做得不錯。

2003年，位于洛桑的聯(lián)邦綜合理工大學(xué)完成了對不間斷飛行太陽能載人飛機(jī)的可行性分析，當(dāng)年11月28日正式宣告項(xiàng)目開始。Solar Impluse相關(guān)技術(shù)的研發(fā)花了三年時間，原型機(jī)的研制又花了另外的三年時間?，F(xiàn)在，這架飛機(jī)人選了2010年《大眾科學(xué)》雜志100項(xiàng)最佳實(shí)用創(chuàng)新技術(shù)榜單，它的研發(fā)者也開始下一代機(jī)型的制造，希望在今年飛躍大西洋，并在2013年完成環(huán)球飛行。到那時，載人太陽能飛機(jī)將會像永不降落的風(fēng)箏一樣，不受限制地在天空翱翔。

平衡

在光照最強(qiáng)的正午，每平方米地表也只能接收到大約1000瓦光能。平均到一天之內(nèi)，每平方米分?jǐn)偟奶柲軆H有250瓦左右。Solar Impluse擁有200平方米電池板，整個驅(qū)動系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率大約能達(dá)到12％――現(xiàn)在太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率最高只能達(dá)到20％左右 這就意味著引擎的功率只能達(dá)到8馬力左右。這大概只相當(dāng)于萊特兄弟那架“飛行者”的功率，而翼展六十多米的飛機(jī)，并不能輕松地放進(jìn)車庫里。

而如果減小太陽能電池的面積，能量將會變得更少，少到無法維持飛行甚至無法起飛。這看起來像是個難題。不過早在1894年，德國人Otto Lilienthal就給出了漂亮的答案：滑翔。具體來說，太陽能飛機(jī)可以以電池驅(qū)動螺旋槳起飛和爬升，在達(dá)到適當(dāng)高度后，以太陽能電池提供繼續(xù)飛行和降落的能量；如果能量不足，只要再滑翔一會就好。

Solar Flight公司的Sunseeker系列太陽能載人飛機(jī)就是采用了這種思路，并且已經(jīng)在09年4月，以一架Sunseeker II飛機(jī)完成了橫跨歐洲八國的飛行。Sunseeker II的空載重量甚至不到Solar Impluse的十分之一，最大重量也不過只有229公斤。這是架單引擎小飛機(jī)，長7米，寬17米，起飛和爬升時用一部8馬力電動機(jī)來提供動力，讓它達(dá)到大約1000米的高度和大約每小時60公里的巡航速度。電池的電量會在15分鐘之內(nèi)用光，剩下的能量只能依賴太陽能電池――和Solar Impluse一樣，它的機(jī)翼上也鋪滿了太陽能電池板。如果電池還有電的話，它的最高速度可以達(dá)到每小時120公里。這架重量和摩托車差不多的小飛機(jī)適合短途飛行，甚至還有雙座版本。

但是它還是有點(diǎn)太大了。如果要讓電動飛機(jī)變得更小，也許只能拋棄太陽能電池，而使用蓄電池提供能量。這會需要更重的電池，但是會獲得更強(qiáng)大的動力：這正是許多小型電動飛機(jī)的關(guān)注點(diǎn)。

近幾年，航展上開始出現(xiàn)越來越多的電動飛機(jī)、一些來自創(chuàng)業(yè)企業(yè)，另一些甚至來自飛機(jī)愛好者的下工工場?，F(xiàn)在已經(jīng)有數(shù)十種電動飛機(jī)面世，從電力滑翔機(jī)到全電力飛機(jī)都有。其中一些簡陋的宛如一戰(zhàn)時期的戰(zhàn)斗機(jī)，而另一些則簡單得像是玩具。但是沒有人知道，今天的這些飛機(jī)，會不會成為明天的空中法拉利。

2009年10月10日，Yuneec E430飛上天空。這架飛機(jī)翼展只有13 8米，卻提供了兩個座位。它只有1.15米高，空載重量只有171.5公斤，簡直像個玩具。這也難怪，畢竟Yuneec就是以航模制造起家的企業(yè)?，F(xiàn)在這家企業(yè)正在上海郊區(qū)的工廠里生產(chǎn)這種小飛機(jī)，

它能夠達(dá)到每小時150公里的速度，充滿電的情況下只能飛行一個半到三個小時一一取決于天氣狀況。而為了維持這么短的飛行，它的電池重量卻幾乎占去整架飛機(jī)重量的一半。不過令人高興的是，它的每小時飛行成本只需要5美元。

看起來，現(xiàn)在的電動飛機(jī)正像是早期的電動汽車：續(xù)航時間不長，充電時間不短，而且速度還不快。不過，正如電動汽車行業(yè)在短短幾年中的顯著進(jìn)步一樣，電動飛機(jī)也將會有迅速的發(fā)展――只要市場夠誘人，就從來不乏新競爭者的加入。

蹊徑

2006年，德國Lange Aviation公司制造的Antares 20E就已經(jīng)飛到了3000米的高度。這是一架單人電動滑翔機(jī)，只有460公斤重，有一對細(xì)長得怪異的機(jī)翼。它使用一部42千瓦的電動機(jī)，由安裝在機(jī)翼上的72塊鋰離子電池提供電能，能夠達(dá)到每小時73公里的速度。制造這樣的飛機(jī)，已經(jīng)沒有什么技術(shù)難關(guān)需要跨越了。人們能做的，只是絞盡腦汁挖掘現(xiàn)有技術(shù)的極限罷了。

這大概就是美國航空航天局從2009年開始舉辦“綠色飛行挑戰(zhàn)賽”的原因，這項(xiàng)挑戰(zhàn)賽獎勵那些能源利用效率最高的輕型飛機(jī)，獲勝者能夠獲得150萬美元的獎金。已經(jīng)有不少企業(yè)投入到電力飛機(jī)的研發(fā)中，甚至連波音和空中客車這樣的大型飛機(jī)制造商也開始謹(jǐn)慎地邁進(jìn)這一領(lǐng)域。“我想人們JE在醒來。”Randall Fishman說，他是新澤西州的一位退休珠寶商，也是個有30年經(jīng)驗(yàn)的b行員?！霸S多人都開始想，電動飛機(jī)會發(fā)展成什么樣子?這些技術(shù)會如何影響我們的生活?”

Fishman自己設(shè)計(jì)和制造了ElectraFlyer系列飛機(jī)。這系列飛機(jī)最大的革新是它的電源控制系統(tǒng)，在整套電路中電能的有效利用率高達(dá)98％，幾乎榨干了所有的潛能。除此之外，這架小飛機(jī)還擁有一些電動汽車電力回收系統(tǒng)的特性：在滑翔時，螺旋槳可以將風(fēng)力轉(zhuǎn)化成電力，為電池充電?，F(xiàn)在Fishman在自己的網(wǎng)站上出售ElectraFlyer系列的零件和控制系統(tǒng)，同時研制雙座電動飛機(jī)，希望能夠在近期試飛，并且推向市場。

做為個人或者家用交通工具，電動飛機(jī)的優(yōu)勢甚至勝過電動汽車――最少，它不會受到堵車的困擾。環(huán)保組織也會歡迎這樣的飛機(jī)，因?yàn)殡S著可再生能源技術(shù)的發(fā)展。電能終將變成清潔的能源。然而，卻還有兩個巨大的難題：電動飛機(jī)只能是螺旋槳飛機(jī)。它的速度不會太高，而在電池的儲能能力沒有獲得革命性的突破之前，它的承載能力和續(xù)航能力也相當(dāng)有限。

前一個問題可能無法突破，但是第二個問題卻并非無解。只要有了足夠的電能，飛機(jī)就能永遠(yuǎn)飛行；而電池并不一定是必須的要件：電能，可以無線傳輸。