提高固態(tài)發(fā)射機(jī)可靠性方法研究

王鋒，劉東升，劉鵬遠(yuǎn)，李兵

（軍械工程學(xué)院導(dǎo)彈工程系，河北石家莊050003）

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提高固態(tài)發(fā)射機(jī)可靠性方法研究

王鋒，劉東升，劉鵬遠(yuǎn)，李兵

（軍械工程學(xué)院導(dǎo)彈工程系，河北石家莊050003）

摘要：固態(tài)發(fā)射機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、低壓工作等特點(diǎn)，微波功率晶體管的設(shè)計(jì)和制造水平不斷提高使其得到了廣泛的應(yīng)用。但作為大功率系統(tǒng)，大電流、高熱耗以及復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)等因素同樣使對固態(tài)發(fā)射機(jī)的可靠性面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文根據(jù)固態(tài)發(fā)射機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，研究了影響可靠性的因素，分析可靠度模型，提出了功率冗余設(shè)計(jì)和過程備份設(shè)計(jì)的可靠性改進(jìn)方法，通過對比改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可靠性得到了顯著提高，為固態(tài)發(fā)射機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)提供了可行的方案。

關(guān)鍵詞：固態(tài)發(fā)射機(jī)；可靠性；功率冗余；過程備份

微波功率管制造工藝快速發(fā)展，使設(shè)計(jì)生產(chǎn)輸出功率更高、工作頻率更寬的器件成為可能。這也為固態(tài)發(fā)射機(jī)性能的提升提供了有力的硬件支持。正因此，電真空發(fā)射機(jī)正逐漸被微波功率器件所取代。采用功率管的固態(tài)發(fā)射機(jī)不再需要燈絲、高功率調(diào)制器以及上萬伏的高壓電源，幾十伏電壓就可以完成功能實(shí)現(xiàn)［1］。

目前固態(tài)發(fā)射機(jī)在S波段及以下波段的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，取代電子管的過程正在迅速蔓延。在雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)是系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)［2］。采用固態(tài)發(fā)射機(jī)，不存在故障突發(fā)導(dǎo)致功率發(fā)射終止的問題，系統(tǒng)故障呈逐漸退化形式，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

固態(tài)發(fā)射機(jī)作為雷達(dá)系統(tǒng)大功率輸出的關(guān)鍵部分，通常是采用功率合成的方式，由小功率器件提供大功率輸出。作為大電流、高熱耗的大功率系統(tǒng)，功率的穩(wěn)定、可靠輸出與功率合成的方式和功率器件的指標(biāo)密切相關(guān)。其復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)等諸多因素都使固態(tài)發(fā)射機(jī)的可靠性面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

本文根據(jù)固態(tài)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出了提高固態(tài)發(fā)射機(jī)可靠性的一些改進(jìn)方法和措施。

1　影響可靠性因素

相比電真空管發(fā)射機(jī)，固態(tài)發(fā)射機(jī)的可靠性是其最主要的優(yōu)勢之一。對于系統(tǒng)的基本可靠性的控制，主要針對各個子單元的電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝，以及器件散熱能力等。通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、克服缺陷、提高制造工藝水平、減少組裝差錯以及補(bǔ)償環(huán)境影響等手段來實(shí)現(xiàn)。

對于系統(tǒng)完成任務(wù)的工作可靠性，就需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層面進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。影響固態(tài)發(fā)射機(jī)工作可靠性的主要因素可以分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、子單元設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)工藝、保護(hù)設(shè)計(jì)及散熱溫度設(shè)計(jì)等。為了提高固態(tài)發(fā)射機(jī)工作的可靠性，常采用模塊化設(shè)計(jì)。在每個子單元設(shè)計(jì)中，影響可靠性因素包括功率管的選擇、各單元之間的匹配與隔離等。大功率開關(guān)電源及功率合成器作為發(fā)射機(jī)的功率形成的核心部分，是決定系統(tǒng)工作可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，保證單個器件可靠性的同時應(yīng)該考慮組合效應(yīng)，采取適當(dāng)?shù)娜哂嗪秃侠淼膫浞荩瑥南到y(tǒng)的角度增加容錯能力。

固態(tài)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)工藝是可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在大功率并較長時間連續(xù)工作的條件下，結(jié)構(gòu)形成的分布參數(shù)及器件散熱條件成為影響器件性能及電路功能的主要因素［2］。溫度是影響晶體管工作特性的重要參數(shù)，過高的工作溫度可能直接導(dǎo)致器件的失效，因此，溫度是影響組件、系統(tǒng)可靠性的重要因素。必須保證工作溫度在允許溫度范圍之內(nèi)，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和必要的溫度控制措施是保持固態(tài)發(fā)射機(jī)可靠性的有效手段。

2　功率冗余設(shè)計(jì)

對于每個子系統(tǒng)，有其基本性能靜態(tài)指標(biāo)要求，也有工作中的動態(tài)指標(biāo)要求。設(shè)計(jì)中，應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)在實(shí)際工作中的承受能力［3］，在成本允許的范圍內(nèi)，考慮將極限工作狀態(tài)合理納入到系統(tǒng)的容忍范圍，也就是設(shè)計(jì)中留有合理的余量。尤其對大功率系統(tǒng)，組成的元件一旦受損對系統(tǒng)會造成直接的致命損害，所以功率的冗余設(shè)計(jì)更為必要。

以某固態(tài)發(fā)射機(jī)末級功率合成為例進(jìn)行分析。單路功率管功率為100 W，合成效率80%，輸出指標(biāo)為大于200 W。如果采用2級4路的合成方式，過程如圖1所示，計(jì)算可得，最終輸出的功率為256 W，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。測試數(shù)據(jù)表明，信號輸入為連續(xù)信號時，末級的輸出功率較為穩(wěn)定，約為210 W，仍然在小于256 W的范圍內(nèi)，設(shè)備都處于正常的負(fù)荷狀態(tài)。

圖1　兩級四路功率合成結(jié)構(gòu)

但發(fā)射機(jī)在工作時，信號的輸入并不總是平穩(wěn)的，如果輸入信號為周期脈沖時，末級輸出可能出現(xiàn)400 W左右的短時信號，形成過沖。顯然這一功率值超出了功率，按照400 W的末級輸出，根據(jù)圖1中的合成結(jié)構(gòu)，反推第一級4個功率管的輸出功率應(yīng)為156.25 W，超出了額定值50%以上。這種過沖雖然不是連續(xù)的，但是長期的存在也會對功率管壽命、可靠性產(chǎn)生很大的影響，造成可能是致命性的后果。因此，在功率設(shè)計(jì)上應(yīng)有合理的冗余設(shè)計(jì)，保證各功率元件始終都能處于正常的工作狀態(tài)。

為了保證功率管輸出不超過額定功率，提高整體可靠性，進(jìn)行針對性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加并聯(lián)路數(shù)，減少合成級數(shù)，采用1級6路的合成結(jié)構(gòu)，如圖2所示。同樣指標(biāo)的功率管，額定功率100W，合成效率80%，六合一之后的輸出功率為480W。即使末級出現(xiàn)400W過沖，六路功率管的負(fù)荷只有83.3W，滿足功率要求。

圖2　一級六路功率合成結(jié)構(gòu)

充分考慮了系統(tǒng)在工作狀態(tài)的功率需求，留有必要的余量，采取功率的冗余設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的容錯能力，保證了整體的工作可靠性。

3　過程可靠性設(shè)計(jì)

固態(tài)發(fā)射機(jī)是由多級組成的高集成度的復(fù)雜系統(tǒng)，任何一級出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致發(fā)射機(jī)的故障，系統(tǒng)失效率等于各級組件失效率之和［3-4］，其模型可以描述為：

可見，級數(shù)越多，失效率越高，可靠性就會降低。因此，盡量減少串聯(lián)級數(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的方法之一。正如上一節(jié)中的改進(jìn)實(shí)例，由兩級合成改為一級合成，這個分系統(tǒng)由3級組件變?yōu)榱?級，失效率就由λ1+λ2+λ3降為λ1+λ3，可以有效提高系統(tǒng)整體的可靠性。

要保證系統(tǒng)功能的完整實(shí)現(xiàn)，必要的多層分級結(jié)構(gòu)是不可避免的［5］，即式（1）中i的取值是有下限的。可見，通過減少級數(shù)方法的操作空間是有限的。這種情況下，就只能通過減小每一個層級的失效率λ1來降低整體的失效率λ，也就是要在基本單元的設(shè)計(jì)中保證各級的可靠性，簡單有效的方法就是過程冗余設(shè)計(jì)。

固態(tài)發(fā)射機(jī)采用多路并聯(lián)的合成結(jié)構(gòu)，并聯(lián)情況下，功能失效是一個是漸變的過程［5-6］，通常可采用r/n模型來評價并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性。r/n模型是指系統(tǒng)的n個并聯(lián)單元中，正常單元數(shù)不少于r，系統(tǒng)仍可以正常工作，不會出現(xiàn)故障。r/n可靠性模型如圖3所示。

圖3　r/n（G）系統(tǒng)可靠性模型

則其數(shù)學(xué)模型可以表示為：

根據(jù)這一模型，對并聯(lián)過程進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，采取單元備份的形式可以有效的提高系統(tǒng)的可靠性［5］。某固態(tài)發(fā)射機(jī)末級功放為例，單路功率管失效率約為λ=69×10-6/h，按照指標(biāo)要求，至少需要15路功率管來實(shí)現(xiàn)末端的功率合成，采用冗余設(shè)計(jì)時增加5路備份，即20路中允許有最多5路發(fā)生故障。根據(jù)式（2）r/n模型，此時末級功放連續(xù)工作t=72小時的可靠度為：式中R1為單路功率管的可靠度，R1=1-λt。

可以與未進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì)時可靠度進(jìn)行比較，只采用15路合成時的可靠度為：

顯然，這個結(jié)果比采取冗余設(shè)計(jì)的可靠度要低得多。

可見，對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，減少串聯(lián)級數(shù)可以降低系統(tǒng)的失效率，同時采取過程備份，可以使系統(tǒng)保持穩(wěn)定的工作可靠性。

4　溫度設(shè)計(jì)

大功率晶體管的失效多數(shù)是由于其結(jié)溫過高引起的。對于固態(tài)器件，結(jié)溫表示有源區(qū)在給定工作條件下的最高溫度。結(jié)溫作為評估器件材料內(nèi)金屬遷移的能力重要指標(biāo)，可以用來確定器件在工作過程中的可靠性［7］。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：結(jié)溫每下降10℃，器件的平均故障間隔時間就可以提高1倍。因此，固態(tài)發(fā)射機(jī)必須設(shè)計(jì)良好的溫度控制系統(tǒng)。通過合理布局、減小器件發(fā)熱源和散熱器之間的接觸熱阻等設(shè)計(jì)保證組件與環(huán)境順暢的熱交換。采取風(fēng)冷、水冷等方式對高熱組件進(jìn)行冷卻控溫，使其始終保持正常合理的工作溫度，抑制溫度對可靠性的影響。

5　結(jié)論

作為雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件，固態(tài)發(fā)射機(jī)以其優(yōu)良的特性正在逐步取代微波電子管。性能的正常發(fā)揮是以其可靠性為前提的。本文針對固態(tài)發(fā)射機(jī)的可靠性問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，采取功率冗余設(shè)計(jì)降低單個器件的工作損耗，提高整體的抗過沖能力。在系統(tǒng)的并列合成結(jié)構(gòu)采取過程備份設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)的容錯能力，降低系統(tǒng)的失效率。通過對前后數(shù)據(jù)的分析比對，驗(yàn)證了改進(jìn)后可靠性提高的明顯效果，為提高固態(tài)發(fā)射機(jī)可靠性提供了可行的方案。

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A research on lmProvlng rellablllty of the solld state transmltter

WANG Feng，LIU Dong-sheng，LIU Peng-yuan，LI Bjng
（Department of Missile Engineering Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Abstract:So1jd state transmjtter has many advantages such as sma11 vo1ume，1jght qua1jty and the 1ow work vo1tage. The desjgn and manufacture 1eve1 of mjcrowave power transjstor contjnuous1y jmprove that make jt wjde1y used. But as a hjgh power system，1arge current，hjgh heat consumptjon and comp1ex cjrcujt desjgn a1so make the re1jabj1jty of so1jd state transmjtter face serjous test. Accordjng to the workjng prjncjp1e and basjc structure of the so1jd state transmjtter，thjs artjc1e studjes the jnf1uencjng re1jabj1jty factors，ana1ysjs the re1jabj1jty mode1 and puts forward the re1jabj1jty jmprovement method whjch jnc1udes power redundancy desjgn and process backup desjgn. After comparjng the data before and now，the system re1jabj1jty js jmproved sjgnjfjcant1y. Thjs study provjdes a feasjb1e scheme for the re1jabj1jty desjgn of the so1jd-state transmjtter.

Key words:so1jd state transmjtter，re1jabj1jty，power redundancy，process backup

中圖分類號：TN43

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0107-02

收稿日期：2015-05-26稿件編號：201505226

作者簡介：王鋒（1980—），男，山西太原人，博士，講師。研究方向：測試技術(shù)及信號處理。