彈載脈沖變壓器的故障模式及影響分析

閆艷坤 張彥

摘 要：本文首先對空空導彈加速度信號隔離電路中脈沖變壓器的常見故障模式進行分析，其次對故障給導彈飛行任務帶來的影響進行建模仿真。仿真結果得出，故障發生時導彈不會出現姿態失控，威脅載機安全。但是，難以完成飛行任務。最后，提出了脈沖變壓器的改進措施。

關鍵詞：脈沖變壓器;故障模式;仿真

中圖分類號：TJ765;TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0030-02

Abstract： Firstly， the common fault modes of pulse transformer in acceleration signal isolation circuit of air-to-air missile were analyzed. Secondly， the impact of fault on missile flight mission was modeled and simulated. By analyzing the simulation results， it can be concluded that the attitude of the missile will not be out of control and threaten the safety of the aircraft when the fault occurs. However， it is difficult to complete the mission. Finally， the improvement measures of pulse transformer were put forward.

Keywords： pulse transformer;failure mode;simulation;influence

脈沖變壓器是一種特殊類型的變壓器，其工作原理是利用磁芯的磁飽和性能進行電平轉換，它變換的不是正弦電壓，也不是交流方波，而是接近矩形的單極性脈沖[1]。變壓器隔離的電壓較高，延遲較小，可以實現較高的開關頻率[2]。為提高空空導彈加速度信號處理電路的抗干擾能力，在電路的輸入輸出端采用了脈沖變壓器耦合的隔離方式，其性能直接關系著加速度信號輸出的精度。

1 脈沖變壓器內部結構

彈載脈沖變壓器包含兩個變壓器線圈，采用漏感最小的雙線并繞結構[3]，預留端繞焊在外殼的底座引出線上，再用環氧樹脂配比固化劑和黏合劑完全包封于外殼中，所有的制造工序均由人工完成。

2 脈沖變壓器常見故障模式

人工繞制線圈的制造模式決定了該脈沖變壓器常見的故障模式有線圈斷路、線圈間短路兩種。線圈斷路會導致電路無輸出;線圈間短路會導致變壓器直流電阻變小，通電時變壓比變化，會導致電路輸出跳變。

2.1 線圈間短路故障

2.1.1 變壓器線圈的原始缺陷。線圈的原始缺陷可能會造成脈沖變壓器線圈短路，線圈短路后，漆包線中電流增大，產生高溫使漆包線絕緣漆受損。隨著產品篩選和高、低溫循環試驗的進行，漆包線在包封材料的溫度應力作用下，絕緣層逐漸脫落，導致線圈短路，產品過流。

2.1.2 電感量變小。線圈中電感量突然變小，可能使電流增大，導致線圈發熱而絕緣性降低[4]。具體公式為：

其中，μ0為空間磁導率;μ為相對磁導率;l為繞線長度，專用的脈沖變壓器繞線長度N和繞線截面積S均為定值。所測量的電感L變小，一定是磁材料磁導率偏小所致。因此，脈沖變壓器的磁芯材料也是影響脈沖變壓器電感的一個重要因素。

2.1.3 較大的工作電流。變壓器線圈長期流過較大的電流，可能導致線圈發熱，絕緣層熔化，初、次級導通的故障。

其中，Ei為工作電源，Lp為電感量，t1-t0為脈沖寬度，由式（3）可計算出線圈在電路中每個脈沖周期達到的最大電流值。根據脈沖變壓器設計參數，線圈漆包線線徑和漆包線允許通過的額定電流成正比，因此線徑的選擇是一個關鍵因素。

2.1.4 有效脈沖寬度過寬。有效脈沖寬度過寬會導致脈沖變壓器磁芯飽和，造成電流增大。為使變壓器保持正常工作狀態，必須使線圈中的磁感應強度小于Bs，即ΔB+Br

2.2 線圈斷路故障

由于該脈沖變壓器選用的漆包線線徑較細，并采用了人工繞制線圈和焊接的制造工藝，因此，引發線圈斷路故障的因素基本集中在以下幾點：漆包線原始缺陷、繞制過程中漆包線損傷、焊接過程中漆包線損傷以及焊點缺陷。這幾種故障模式大多是在人工操作環節中產生，過程中不易發現進而留下隱患。隨著產品篩選和高、低溫循環試驗的進行，漆包線受損處在包封材料的溫度應力作用下不斷累積，最終出現斷路故障。

控制系統曾出現了速度通道異常故障，是由于在半成品測試時的意外操作造成漆包線上錫處細微損傷，且該損傷發生在上錫處靠近器件底部的一側，顯微鏡都很難檢測出來。隨著后續使用過程中篩選的深入，受包封材料溫度應力作用，漆包線上錫處的微損傷逐漸由微損傷變為斷開，進而造成系統故障。

3 空空導彈飛行任務仿真分析

導彈在空中發射后，加速度通道能否穩定地完成導航任務并給出高精度定位結果，與脈沖變壓器是否存在故障有很大關系[6]。無論脈沖變壓器發生短路或斷路故障都會導致加速度信號異常，影響導彈的導航性能，進而影響作戰任務的完成。為此，進行了導彈在空中發射后的飛行任務仿真，仿真模擬的故障如下。

以上6種故障模式下的導彈在飛行任務過程中均不會出現姿態失控、威脅載機安全的情況，導彈在飛行過程中能夠保持穩定。故障模式對導彈系統的影響如下。

①加計X軸正向輸出偏差，即加計X軸輸出小于等于0;

②加計X軸負向輸出偏差，即加計X軸輸出大于等于0;

③加計Y軸正向輸出偏差，即加計Y軸輸出小于等于0;

④加計Y軸負向輸出偏差，即加計X軸輸出大于等于0;

⑤加計Z軸正向輸出偏差，即加計X軸輸出小于等于0。

⑥加計Z軸負向輸出偏差，即加計X軸輸出大于等于0。

4 解決措施

隨著對脈沖變壓器故障模式研究的不斷深入，脈沖變壓器的制造工藝也在不斷改進。通過改進漆包線線徑、改進漆包線引出端焊接方式和更換應力較小的軟性包封膠等措施，可以大大降低脈沖變壓器的故障率，提高產品的可靠性。

5 結論

導彈在空中發射后，脈沖變壓器發生故障會使加速度信號測量異常。雖然不會影響導彈出現姿態失控、威脅載機安全的情況，但始終都會影響導彈的導航性能，進而影響作戰任務的完成。因此，制造工藝的改進措施可以提高脈沖變壓器的可靠性，使得空空導彈的使用風險得到了有效控制。

參考文獻：

[1]楊哲，鞠曉東.小型脈沖變壓器設計[J].變壓器，2006（12）：10-14.

[2]劉虹伶，劉明宇.一種脈沖變壓器隔離的IGBT驅動電路的設計研究[J].電氣技術，2017（3）：94-96.

[3]胡君臣.高頻變壓器的設計與制作[J].電器開關，2005（1）：8-11.

[4]封俊寶，高吉珍，梅良成，等.脈沖變壓器問題分析與改進[J].電源世界，2014（6）：47-49.

[5]王瑞華.脈沖變壓器設計[M].2版.北京：北京科學技術出版社，1996.

[6]趙剡，滕沖，楊輝，等.預測與健康管理在慣導系統中的應用研究[J].航空兵器，2014（2）：49-53.