CN103680779B - 一种耐高压大功率固态限流电阻 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高压大功率固态限流电阻，其特征在于：封装盒体的盒体底板上依次叠放若干层陶瓷板、第二电极片、耐打火磁电阻、第一电极片、若干层陶瓷板、散热齿和散热风扇；耐打火磁电阻与第一电极片和第二电极片之间通过导电胶电连接，第一电极片和第二电极片分别与封装盒体外的高压连接器实行电连接；在封装盒体底板至散热齿之间填充绝缘密封胶；本发明采用瓷板、绝缘密封胶、聚四氟乙烯垫片多种绝缘材料进行综合设计。采用多层瓷板的设计方法提高组件的绝缘可靠性。采用多层大小不同的瓷板设计方法降低“爬电”的失效概率。采用聚四氟乙烯垫片隔离瓷板的方法隔离多层瓷板，排出空气膜，提高瓷板的绝缘性和抗冲击性。

Description

一种耐高压大功率固态限流电阻

技术领域

本发明属于雷达真空管发射机技术和高压绝缘技术领域，具体涉及一种耐高压大功率固态限流电阻，是一种真空管发射机中行波管高压端工作的器件，它解决了行波管工作中出现打火现象对前端调制器和高压电源造成损坏问题。

背景技术

栅控行波管放大器是一种使用范围最广和工作频率最宽的中、大功率放大器件，具有可靠性较高、瞬时带宽大、调制方式灵活的特点,在现代雷达系统中得到了广泛的应用。行波管已经广泛地被应用于地面固定和移动式雷达，机载火控雷达、电子对抗设备等军用装备。但是在实际的应用中，还存在行波管在高压下工作时容易对地打火的问题。高压击穿打火是大功率行波管工作期间主要是失效形式之一。对行波管而言，若出现过压，行波管内部各电极之间就会产生高压打火击穿现象。通常采用提高行波管的性能，减少打火现象提高调制器和高压电源的耐打火能力来提高行波管发射机的可靠性，但是这种方法仍然不能完全避免打火现象对阴极前端的调制器及高压电源的过流损坏。

电阻具有限流降压的作用，串联后可以有效减小瞬态电流的“浪涌”现象。在行波管阴极上串联电阻可以有效减小行波管打火时的阴极电流。由于行波管阴极上串联的电阻是悬浮在高电位上，所以需要对其上的电阻进行绝缘灌封设计。目前的灌封方法有固态灌封和绝缘器油液态封装两种方法。固态灌封法设计的组件体积较小且可靠性高，但是导热性差，当器件或组件发热量大时会出现“热集”，导致器件或组件损坏；绝缘油液态封装法导热性好，但是体积较大、结构工艺复杂且容易出现漏油现象。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种耐高压大功率固态限流电阻，通过导热和绝缘材料的综合应用，采用固态灌封的方法，设计出满足绝缘和散热要求的耐高压大功率固态限流电阻。

技术方案

一种耐高压大功率固态限流电阻，其特征在于包括散热风扇1、散热齿2、多层陶瓷板、电极片、耐打火磁电阻8、封装盒体和高压连接器；封装盒体的盒体底板12上依次叠放若干层陶瓷板、第二电极片9、耐打火磁电阻8、第一电极片7、若干层陶瓷板、散热齿2和散热风扇1；耐打火磁电阻8与第一电极片7和第二电极片9之间通过导电胶电连接，第一电极片7和第二电极片9分别与封装盒体外的高压连接器实行电连接；在封装盒体底板至散热齿2之间填充绝缘密封胶；所述的若干层陶瓷板之间设有聚四氟乙烯垫片。

所述若干层陶瓷板的厚度相同，大小不同。

所述若干层陶瓷板为三层。

所述绝缘密封胶采用导热率为2.9的灌封胶，耐压性为每毫米大于10kV。

所述陶瓷板选用的氧化铝陶瓷板，导热率为319，耐压性为每毫米大于10kV。

所述聚四氟乙烯垫片的导热率为0.256，耐压性为每毫米大于10kV。

一种所述耐高压大功率固态限流电阻的制作方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将盒体侧板与盒体底板通过螺钉连接形成半腔体，然后依次居中层叠安装多层陶瓷板、第二电极片（9）、耐打火磁电阻（8）、第一电极片（7）和多层陶瓷板；每层陶瓷板之间设有聚四氟乙烯支垫片；耐打火磁电阻（8）与第一电极片（7）和第二电极片（9）之间涂敷导电胶；

步骤2：将两个连接器的尾线穿过盒体的一个侧板的安装孔分别焊接在第一电极片7和第二电极片9；

步骤3：在最上层的陶瓷板上安装散热齿板2，并通过螺钉将散热齿板压紧各层叠组件并固定在半腔体的盒体底板12上；保证安装螺钉的表面距离瓷板边缘的距离不小于6mm；

步骤4：通过半腔体的一个侧板将硅橡胶注入腔体，使绝缘密封胶浸渍各个安装缝隙，然后放入80℃～100℃的烘箱中烘干(此工序为防止灌密时灌封胶沿缝隙流出)；

步骤5：将绝缘密封胶注满腔体内，然后将腔体放入真空罐抽真空，以确保固化后的腔体内部组件间没有空气膜以及灌封胶内部没有空气颗粒；

步骤6：待导热密封胶固化后安装侧板。

有益效果

本发明提出的一种耐高压大功率固态限流电阻，采用瓷板、绝缘密封胶、聚四氟乙烯垫片多种绝缘材料进行综合设计。采用多层瓷板的设计方法提高组件的绝缘可靠性。采用多层大小不同的瓷板设计方法降低“爬电”的失效概率。采用聚四氟乙烯垫片隔离瓷板的方法隔离多层瓷板，排出空气膜，提高瓷板的绝缘性和抗冲击性。

附图说明

图1：耐高压大功率固态限流电阻外形图

图2：耐高压大功率固态限流结构拆分图

图3：耐高压大功率固态限流电阻内部结构图

图4：耐高压大功率固态限流电阻灌封结构图

图5：耐高压大功率固态限流电阻电压爬电击穿示意图

图6：耐高压大功率固态限流电阻传热热阻示意图

1-散热风扇，2-散热齿，3-第一陶瓷板，4-第二陶瓷板，5-第三陶瓷板，6-聚四氟乙烯支垫片，7-第一电极片，8-耐打火磁电阻，9-第二电极片，10-第一盒体侧板，11-第二盒体侧板，12-盒体底板，13-第四盒体侧板，14-第五盒体侧板，15-第四陶瓷板，16-第五陶瓷板，17-第六陶瓷板，18-高压连接器，19-安装螺钉，20-封装盒体，21-导热密封胶。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例：耐高压大功率固态限流电阻，包括散热风扇1、散热齿2、6层厚度相同，大小不同的陶瓷板、两个电极片、耐打火磁电阻8、封装盒体和高压连接器；封装盒体的盒体底板12上依次叠放若干层陶瓷板、第二电极片9、耐打火磁电阻8、第一电极片7、若干层陶瓷板、散热齿2和散热风扇1；耐打火磁电阻8与第一电极片7和第二电极片9之间通过导电胶电连接，第一电极片7和第二电极片9分别与封装盒体外的高压连接器实行电连接；在封装盒体底板至散热齿2之间填充绝缘密封胶；所述的若干层陶瓷板之间设有聚四氟乙烯垫片。如图1所示。

所述绝缘密封胶采用导热率为2.9的灌封胶，耐压性为每毫米大于10kV。

所述陶瓷板选用的氧化铝陶瓷板，导热率为319，耐压性为每毫米大于10kV。

所述聚四氟乙烯垫片的导热率为0.256，耐压性为每毫米大于10kV。

具体制作步骤如下：

步骤1：将第一盒体侧板10、第二盒体侧板11、盒体底板12、第四盒体侧板13、第五盒体侧板14通过螺钉连接形成半腔体，然后依次居中层叠安装多层陶瓷板、第二电极片9、耐打火磁电阻8、第一电极片7和多层陶瓷板；每层陶瓷板之间设有聚四氟乙烯支垫片；耐打火磁电阻8与第一电极片7和第二电极片9之间涂敷导电胶；

步骤2：将两个连接器的尾线穿过第五盒体侧板14的安装孔分别焊接在第一电极片7和第二电极片9；

步骤3：安装散热齿板，将散热齿板压紧上述层叠的各个组件并通过螺钉固定在半腔体上；

步骤4：将风扇安装在散热齿板顶部；

步骤5：将固定螺钉安装在散热齿板和地板的安装孔上，并用螺母固定，要保证安装螺钉的表面距离瓷板边缘的距离不小于6mm（图3为上述安装后的腔体图）；

步骤6：打开第二盒体侧板11，将硅橡胶注入腔体，使硅橡胶浸渍各个安装缝隙，然后将硅橡胶倒出，将放浸渍后的腔体放入入80℃～100℃的烘箱中烘干(此工序为防止灌密时绝缘密封胶沿缝隙流出)

步骤7：将加入固化剂后的绝缘密封胶通过端面注满腔体内至满，然后将腔体放入真空罐抽真空，以确保固化后的腔体内部组件间没有空气膜以及灌封胶内部没有空气颗粒；

步骤8：待导热密封胶固化后将第二盒体侧板11通过螺钉安装于端面。

本耐高压大功率固态限流电阻原理和结构：耐打火磁电阻设计为“饼”状，以实现端面传热的目的。电阻通过导电胶和两端的电极片连接，电极上分别伸出端子连接带头高压线伸出盒体，两电极片上分别层叠三层高导热绝缘瓷片（瓷片的厚度相同，大小不同），瓷片间由聚四氟乙烯垫片支撑。耐打火磁电阻在两端层压力下固定在盒体中央后用绝缘密封胶灌封。多层瓷片有助于电阻通过端面的电极片向箱体外部导热，瓷片间的聚四氟乙烯垫片有助于瓷片间的绝缘，同时可以使灌封时瓷片间排出空气膜充满绝缘密封胶。瓷片间的绝缘密封胶对瓷片进行绝缘隔离。在震动状态下瓷片间的绝缘密封胶可以对易碎的瓷片进行减震。多层瓷片的设计可以保证在某一块瓷板出现裂纹时其他两块瓷板仍然能够保证内部电阻的绝缘度。大小不同的瓷板层叠可以是增加瓷片和绝缘密封胶粘和不紧密时电压沿瓷板边缘击“爬电”穿时的“爬电”距离。如图5所示：A为高压端，B为接地端，箭头指示的路径和方向为电压的“爬电”路径和方向。

限流电阻串联在行波管的阴极和调制器之间。本设计中，电阻阻值为60Ω，工作电压为25KV。稳态工作时，最大电流平均电流为0.6A，散热功率为21.6w。瞬态最大电流为6A，瞬态散热功率为2160w。

绝缘密封胶的电绝缘性好导热性差。本设计中，采用导热率为2.9的绝缘密封胶，耐压性为每毫米大于10kV；陶瓷板的电绝缘性和导热性好，但是不易加工和安装，在震动条件下容易破碎。选用的氧化铝陶瓷板的导热率为319，耐压性为每毫米大于10kV。聚四氟乙烯电绝缘性好导热性差，导热率为0.256，耐压性为每毫米大于10kV。绝缘密封胶、陶瓷板、聚四氟乙烯垫片以及磁电阻在-40℃到160℃温度下能够保持良好的物理性能。本设计中绝缘性为冗余设计，导热性可简化为多层平面壁的导热模型，热量通过电阻端面的多层材料（绝缘胶、陶瓷板、聚四氟乙烯垫片）传导到体外，然后再通过散热片和热沉散热。如图6所示：C为发热端，D为散热端。

多层平面壁对于稳态传热过程的传热方程为：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\Δt}}{R_1+R_2+\·\·\·R_n}---\left(1\right)$

φ为单位时间内的传热量

Δt为发热面与散热面的温差

R₁+R₂+…+R_n为各个平面壁的热阻

本设计中的热阻如图6所示

R＝R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆（2）

其中R₁、R₃、R₅为陶瓷板的热阻，R₂、R₄、R₆为绝缘密封胶和聚四氟乙烯垫片的热阻，由于陶瓷板的导热系数远大于绝缘密封胶和聚四氟乙烯垫片的导热系数，所以R₁、R₃、R₅可以忽略，热阻R变为

R≈R₂+R₄+R₆（3）

R₂、R₄、R₆分别有绝缘密封胶和聚四氟乙烯垫片的热阻并联而成，所以

$R\≈\frac{R_{21}\·R_{22}}{R_{21}+R_{22}}+\frac{R_{41}\·R_{42}}{R_{41}+R_{42}}+\frac{R_{61}\·R_{62}}{R_{61}+R_{62}}---\left(4\right)$

其中R₂₁、R₄₁、R₆₁为对应的R₂、R₄、R₆中绝缘密封胶的热阻，

R₂₂、R₄₂、R₆₂为对应的R₂、R₄、R₆中聚四氟乙烯垫片的热阻。

$R=\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}\·A}---\left(5\right)$

其中δ为厚度，A为导热面积，λ为导热系数。

将设计数据带入（5）式可以计算热阻R≈1.53，将热阻数据和发热量带入（1）式数值带入可以计算发热面和散热面的温差约为33℃,当环境温度为55℃时，计算得出散热齿表面的温度为71℃,而电阻内部的温度约为104℃,符合设计要求。

Claims (6)

1.一种耐高压大功率固态限流电阻，其特征在于包括散热风扇(1)、散热齿(2)、多层陶瓷板、电极片、耐打火磁电阻(8)、封装盒体和高压连接器；封装盒体的盒体底板(12)上依次叠放若干层陶瓷板、第二电极片(9)、耐打火磁电阻(8)、第一电极片(7)、若干层陶瓷板、散热齿(2)和散热风扇(1)；耐打火磁电阻(8)与第一电极片(7)和第二电极片(9)之间通过导电胶电连接，第一电极片(7)和第二电极片(9)分别与封装盒体外的高压连接器实行电连接；在封装盒体底板至散热齿(2)之间填充硅橡胶；所述的若干层陶瓷板之间设有聚四氟乙烯垫片。

2.根据权利要求1所述耐高压大功率固态限流电阻，其特征在于：所述若干层陶瓷板的厚度相同，大小不同。

3.根据权利要求1或2所述耐高压大功率固态限流电阻，其特征在于：所述若干层陶瓷板为三层。

4.根据权利要求1所述耐高压大功率固态限流电阻，其特征在于：所述陶瓷板选用的氧化铝陶瓷板，导热率为319，耐压性为每毫米大于10kV。

5.根据权利要求1所述耐高压大功率固态限流电阻，其特征在于：所述聚四氟乙烯垫片的导热率为0.256，耐压性为每毫米大于10kV。

6.一种权利要求1所述耐高压大功率固态限流电阻的制作方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将盒体侧板与盒体底板通过螺钉连接形成半腔体，然后依次居中层叠安装若干层陶瓷板、第二电极片(9)、耐打火磁电阻(8)、第一电极片(7)和若干层陶瓷板；每层陶瓷板之间设有聚四氟乙烯垫片；耐打火磁电阻(8)与第一电极片(7)和第二电极片(9)之间涂敷导电胶；

步骤2：将两个高压连接器的尾线穿过盒体的一个侧板的安装孔分别焊接在第一电极片(7)和第二电极片(9)；

步骤3：在最上层的陶瓷板上安装散热齿(2)，并通过螺钉将散热齿压紧各层叠组件并固定在半腔体的盒体底板上；保证安装螺钉的表面距离陶瓷板边缘的距离不小于6mm；

步骤4：打开半腔体的一个侧板将硅橡胶注入腔体，使硅橡胶浸渍各个安装缝隙，然后放入80℃～100℃的烘箱中烘干；

步骤5：将硅橡胶注满腔体内，然后将腔体放入真空罐抽真空，以确保固化后的腔体内部组件间没有空气膜以及硅橡胶内部没有空气颗粒；

步骤6：待硅橡胶固化后安装侧板。