航空航天電源技術精選(九篇)

前言：一篇好文章的誕生，需要你不斷地搜集資料、整理思路，本站小編為你收集了豐富的航空航天電源技術主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。

第1篇：航空航天電源技術范文

關鍵字： DC/DC變換器； 有限元法； 熱設計； 熱分析

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

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

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、導通及柵極驅動損耗。在表征功率器件中，熱阻和結溫是主要的熱能力參數。要想確保功率器件的穩定運行，增強器件的可靠性能，就應該確保其半導體組件工作于額定結溫條件下。

半導體組件的額定最高結溫大小是由器件的芯片、封裝等材料決定的。熱阻是表達功率器件散熱能力的主要指標。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，即內熱阻和外熱阻。內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行設計過程中，主要分為以下幾個設計環節：內部芯片熱設計、封裝、管殼及實用熱設計。設計人員在設計中，主要是針對器件進行實用熱設計，通過對功率器件的熱損耗進行計算，從而設定科學的散熱布局和電路布局，以有效的增強功率器件的散熱，確保器件能夠安全穩定的運行。

2.2 變壓器及電感的損耗

眾所周知，變壓器和電感結構大致是一樣的，本文中主要針對電感損耗進行研究。

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。開關電源中的高頻交流電，會產生電流的趨膚效應，隨著電感繞組頻率的增加，其電阻也會逐漸增大[5]。所以，在對銅損耗進行計算時就會包含兩個部分損耗，即直流電阻與交流電阻損害。要想切實提高變壓器及電感的功率密度及熱性能，以防止熱失效，應對其封裝技術、散熱技術、熱模型以及溫度設計準則等熱設計技術進行深入的研究。

3 印制板及關鍵元器件的散熱設計

熱設計的目的是控制電子設備內部所有電子元器件的溫度，使其在設備所處的工作環境條件下不超過規定的最高允許溫度。高溫對大多數電子元器件將產生嚴重的影響，它會導致電子元器件的失效，進而引起整個設備的失效。重視航天電子產品的熱設計工作，能夠通過對電子產品的熱設計，達到消除可靠患，提高產品可靠性的效果。

3.1 印制板的散熱設計

印制板是電子設備中一個極其重要的組成部分，其熱設計是否科學，對電路性能有著嚴重的影響，也是引發電子設備失效的重要因素之一。

首先，印制板的設計應該注意結構和布局的合理，以多層PCB板結構為最佳。采用散熱印制板能夠提升其導熱能力，在多層結構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 關鍵元器件的散熱設計

印制板上的元器件如何布置對于散熱來說有很大的作用。應該最大限度地在PCB板上均勻分布功率器件，避免板上熱點集中，確保板表面的溫度性能均勻。在進行實用設計時，要想實現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域功率密度較高。對于功耗較高發熱量較大的器件，采用有效的散熱措施，通過有效的散熱途徑導出其熱量，降低工作溫度，進而滿足溫度降額要求。

對于放置在PCB板下方的功率元器件，可在機殼底板對應的位置增銑凸臺，使發熱器件與機殼間的距離減少到0.3 mm以內，在兩者的接觸面之間填充0.38 mm導熱墊和導熱硅脂，使熱量以熱傳導方式導出。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基礎之上的大型計算軟件，其應用遍布國內外諸多領域的工程中。采用該軟件計算出的結果相對可靠，圖表更加簡單。現階段，該軟件是應用最為廣泛的工具軟件，它能夠針對不同領域的不同問題加以統計和分析，除了具備十分強大的結構分析功能之外，還能夠為其他領域的計算提供專業的分析和計算方法[6]。

ANSYS的熱分析是建立在能量守恒基礎之上的熱平衡方程，通過對各網格節點的溫度分布進行計算和采用有限元法進行分析之后，推導出相關的物理參數。

5 實例分析

5.1 DC/DC變換器建模

DC/DC變換器采用六面體結構，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，具有強度高、重量輕、導熱好、加工性能好等優點。根據設計要求，考慮到主要發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壁，以便更好的散熱。由于計算是針對模塊建立計算物理模型，考慮到計算的可行性對模型進行一定的簡化。建立計算物理模型時，做如下假設和簡化：

（1）印制電路板認為正交同性材料，導熱系數按等效導熱系數計算；

（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，內徑為不計環氧樹脂固封時的內徑、外經為包括環氧樹脂固封層厚的直徑，高為安裝高度；

（4）機架上圓弧過渡，半圓面認為是直角及平面。

5.2 仿真的主要參數

（1）環境參數：電路外部環境溫度為20 ℃；熱傳遞只考慮熱傳導。

（2）材料參數：該模塊涉及的各部分材料參數如表1所示。

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

5.3 熱仿真結果與紅外成像儀測試結果對比分析

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變換器產品工作達到穩態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進行物體照片拍攝，進而分析照片，將各種紅外輻射加以轉換，通過光學信號表示出來，從而使人明確物體表面的溫度分布和相關參數。采用熱輻射原理進行溫度的測量，不僅需要測量元件與介質的接觸，不會對被測介質的溫度場形成影響，而且具有較快的反應速度；但這種方法會受到物體表面的測量距離、發射頻率及環境等因素的影響。

在本實驗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度的測量，間接地計算得到定量的溫度分布值，并用彩色圖像來表達穩態溫度場的分布。紅外測試實驗的實測數據見表3。圖4是在產品通電工作時拍攝得到的紅外圖像，拍攝時的環境溫度為20 ℃。將紅外測試結果與熱仿真結果進行比較，見表4。

對比結果，得出測試結果與仿真結果的誤差沒有超過10%。這是由于在仿真建模的過程中，在此對相關參數進行了簡單的處理，將其與熱邊界條件進行了近似處理，其準確度與實際參數必定會有所差異。但從整體上看，仿真結果具有一定的熱設計意義，與相關要求相符。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果。尤其是在某些區域，不僅需要明確熱點所在位置，而且必須明確其規模大小，這樣，就能夠使熱仿真結果具有更強的參考意義。

6 結 論

為解決DC?DC變換器的熱可靠性問題，本文結合實際例子，利用仿真軟件，模擬了電路內部的溫度場分布特性。仿真結果為電路的初期熱設計或后期散熱性能的進一步改善提供了依據，可為熱設計提供指導，推動設計進程，提高工作效率。

參考文獻

[1] 于慈遠.計算機輔助電子設備熱分析、熱設計及熱測量技術的研究[D].北京：北京航空航天大學，2000.

[2] 張祺，蔣和全.開關電源熱仿真模型研究[J].微電子學，2010（6）：884?889.

[3] 余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4] LOSTETTER A B，BARLOW F，ELSHABINI A. An overview to integrated power module design for high power electronics packaging [J]. Microelec Reliab， 2000， 40（3）： 106?379.

第2篇：航空航天電源技術范文

與此同時，越來越多的汽車開始采用電能驅動。和化石燃料相比，電力有更多的優勢，例如驅動結構簡單、成本更低，以及更加環保。也許是受到這些優勢的吸引，航空業也開始尋求新的解決之道，電力飛機終進人們的視野。

現在已經有了一些很有前途的電力飛行器。以這種發展趨勢來看，也許在未來十年之內，小型電力飛機就會部分取代現在家用轎車的地位，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“機艙里的一代”。

逐日

2010年7月9日，Zephyr無人機上天，直到23日才降落下來。這架飛機來自英國國防技術企業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的最長不間斷飛行時間紀錄：整整兩個星期，336小時。

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

與之相比，載人太陽能飛機要走的路，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到每公斤12.5千瓦時，即使按照30％的能量轉化率計算，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，電動飛機需要17公斤的電池，才能提供相當于一公斤汽油燃燒產生的能量。

很顯然，為了彌補電池的弱點，電動太陽能飛機需要輕而堅固的機身。Solar Impluse的項目組用蜂巢狀的碳纖維復合材料制造機身，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。

現在這架纖細如蜻蜓般的飛機能夠以每小時70公里的平均速度飛行，最大高度達到8500米。它擁有四個10馬力電動機，每個電動機都有自己的電池組和調節充放電以及溫度的控制系統，以及一個直徑3.5米的雙輪葉式螺旋槳。螺旋槳的轉速控制在每分鐘200到400轉，以避免過大的噪音和強烈的震動。以目前的實驗結果來看，Solar Impluse做得不錯。

2003年，位于洛桑的聯邦綜合理工大學完成了對不間斷飛行太陽能載人飛機的可行性分析，當年11月28日正式宣告項目開始。Solar Impluse相關技術的研發花了三年時間，原型機的研制又花了另外的三年時間。現在，這架飛機人選了2010年《大眾科學》雜志100項最佳實用創新技術榜單，它的研發者也開始下一代機型的制造，希望在今年飛躍大西洋，并在2013年完成環球飛行。到那時，載人太陽能飛機將會像永不降落的風箏一樣，不受限制地在天空翱翔。

平衡

在光照最強的正午，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，每平方米分攤的太陽能僅有250瓦左右。Solar Impluse擁有200平方米電池板，整個驅動系統的能量轉化效率大約能達到12％――現在太陽能電池的轉化效率最高只能達到20％左右 這就意味著引擎的功率只能達到8馬力左右。這大概只相當于萊特兄弟那架“飛行者”的功率，而翼展六十多米的飛機，并不能輕松地放進車庫里。

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，太陽能飛機可以以電池驅動螺旋槳起飛和爬升，在達到適當高度后，以太陽能電池提供繼續飛行和降落的能量；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就是采用了這種思路，并且已經在09年4月，以一架Sunseeker II飛機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，長7米，寬17米，起飛和爬升時用一部8馬力電動機來提供動力，讓它達到大約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分鐘之內用光，剩下的能量只能依賴太陽能電池――和Solar Impluse一樣，它的機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到每小時120公里。這架重量和摩托車差不多的小飛機適合短途飛行，甚至還有雙座版本。

但是它還是有點太大了。如果要讓電動飛機變得更小，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，但是會獲得更強大的動力：這正是許多小型電動飛機的關注點。

近幾年，航展上開始出現越來越多的電動飛機、一些來自創業企業，另一些甚至來自飛機愛好者的下工工場。現在已經有數十種電動飛機面世，從電力滑翔機到全電力飛機都有。其中一些簡陋的宛如一戰時期的戰斗機，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，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。現在這家企業正在上海郊區的工廠里生產這種小飛機，

它能夠達到每小時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，現在的電動飛機正像是早期的電動汽車：續航時間不長，充電時間不短，而且速度還不快。不過，正如電動汽車行業在短短幾年中的顯著進步一樣，電動飛機也將會有迅速的發展――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就已經飛到了3000米的高度。這是一架單人電動滑翔機，只有460公斤重，有一對細長得怪異的機翼。它使用一部42千瓦的電動機，由安裝在機翼上的72塊鋰離子電池提供電能，能夠達到每小時73公里的速度。制造這樣的飛機，已經沒有什么技術難關需要跨越了。人們能做的，只是絞盡腦汁挖掘現有技術的極限罷了。

這大概就是美國航空航天局從2009年開始舉辦“綠色飛行挑戰賽”的原因，這項挑戰賽獎勵那些能源利用效率最高的輕型飛機，獲勝者能夠獲得150萬美元的獎金。已經有不少企業投入到電力飛機的研發中，甚至連波音和空中客車這樣的大型飛機制造商也開始謹慎地邁進這一領域。“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年經驗的b行員。“許多人都開始想，電動飛機會發展成什么樣子?這些技術會如何影響我們的生活?”

Fishman自己設計和制造了ElectraFlyer系列飛機。這系列飛機最大的革新是它的電源控制系統，在整套電路中電能的有效利用率高達98％，幾乎榨干了所有的潛能。除此之外，這架小飛機還擁有一些電動汽車電力回收系統的特性：在滑翔時，螺旋槳可以將風力轉化成電力，為電池充電。現在Fishman在自己的網站上出售ElectraFlyer系列的零件和控制系統，同時研制雙座電動飛機，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，電動飛機的優勢甚至勝過電動汽車――最少，它不會受到堵車的困擾。環保組織也會歡迎這樣的飛機，因為隨著可再生能源技術的發展。電能終將變成清潔的能源。然而，卻還有兩個巨大的難題：電動飛機只能是螺旋槳飛機。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，它的承載能力和續航能力也相當有限。

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，飛機就能永遠飛行；而電池并不一定是必須的要件：電能，可以無線傳輸。