航天器大功率DC-DC變換器的熱仿真分析

　　3.2 熱耗計算與熱耗分布

　　航天器大功率DC-DC變換器功率變換電路的熱耗主要由功率MOSFET管和變壓器承擔，控制電路的熱耗主要是由芯片產(chǎn)生，輸出整流電路的熱耗主要由輸出整流二極管承擔。

　　理論上可以通過(guò)測量電流電壓來(lái)計算電子元器件的發(fā)熱功率，從獲得而熱耗，但實(shí)際操作起來(lái)比較困難，尤其是在復雜電路中對電流值進(jìn)行測量。通常的解決方法是通過(guò)某些電路仿真軟件，比如Pspice或saber來(lái)仿真出電功耗，但電功耗是溫度的函數，目前大部分電路仿真軟件對溫度的考慮仍不充分，而且并不是所有的電功耗都轉化為熱功耗，磁損耗、電磁輻射損耗對熱耗計算也不容忽視。通過(guò)設計人員分析及仿真而獲得的熱耗計算值與熱耗分布情況，很大程度上決定了熱仿真分析數據的可信度。

　　3.3 邊界條件的確定及熱參數的選取

　　傳熱有輻射、對流和傳導三種方式。在空間應用中，基本上不存在對流傳熱這種形式，僅考查熱傳導及輻射。航天器大功率DC-DC變換器產(chǎn)品底板與溫度為50℃的熱沉密貼，溫度恒定為50℃，發(fā)熱元件功耗加在元件模型或用來(lái)模擬芯片的熱源上，周?chē)h(huán)境為真空。

　　熱仿真分析中使用的熱參數的選取主要指用于計算熱阻的導熱系數λ的選取。

　　航天器大功率DC-DC變換器產(chǎn)品熱仿真分析的材料導熱系數的選取見(jiàn)表3.3。

　　在做熱仿真時(shí)，用等效導熱系數λeq表示PCB板及元件的導熱系數。

　　PCB板的等效導熱系數λeq根據PCB板各部分質(zhì)量分數、體積分數計算。PCB板一般由絕緣體(如FR4)和銅經(jīng)過(guò)加熱和加壓制作而成，銅的作用是導電和導熱。FR4的導熱系數一般為0.35W／(m?K)，銅的導熱系數為385.1W／(m?K)，故銅的含量是影響導熱的重要因素。多層PCB板斷面結構如圖3.3所示。

　　等效導熱系數熱參數的選取按式(1)式計算：

　　其中i層的導體剩余率：對銅箔層是銅箔的剩余率，對絕緣層，其剩余率近似為1。

　　元件的等效導熱系數λeq由封裝材料、引腳材料、安裝材料等導熱系數組成，通過(guò)等效熱阻公式計算。將元件從結點(diǎn)至印制電路板的傳熱看作一維導熱。根據元件不同的安裝方式，可以建立不同類(lèi)型的電熱模擬熱路圖，按(2)式等效熱阻公式計算等效導熱系數。

　　其中：δ—沿導熱方向的等效厚度；S—與傳熱路徑垂直的等效導熱面積；Rtot—元件電熱模擬熱路圖的總熱阻。

　　3.4 熱仿真建模

　　建立一個(gè)合理的熱仿真模型，是保證熱仿真分析結果精確的前提。

　　對于主要熱耗器件功率MOSFET管、整流管，安裝于功率鋁基板上，均選用SMD-1封裝，封裝形式見(jiàn)圖3.4.1。采取的安裝方式為將功率MOSFET管焊接于鋁基板上通過(guò)導熱硅脂與產(chǎn)品鋁外殼底面緊密接觸，鋁外殼底面與溫控熱沉緊密接觸，實(shí)現傳導散熱，結構見(jiàn)圖3.4.2。

　　對于航天器大功率DC-DC變換器產(chǎn)品建立計算物理模型，考慮到計算網(wǎng)格劃分及熱傳導與熱輻射分析計算的可行性對模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。印制電路板(PCB板)導熱系數按等效導熱系數計算；忽略對熱影響較小的導線(xiàn)；各結構表面為灰體，發(fā)射率和吸收率與波長(cháng)無(wú)關(guān)，發(fā)射率(ε)=吸收率(α)；各結構表面為漫反射面，反射率與射入／射出的方向無(wú)關(guān)；各結構表面是熱輻射不透明的，可以忽略透射率。

　　航天器大功率DC-DC變換器產(chǎn)品熱仿真模型由板(PLATE)、柱體(PRISM等)、印制電路板(PCB)、面(FACE)、機殼(CABINET)、塊(BLOCK)、源(SOURCE)等構成。主要為板結構(PLATE)及塊(BLOCK)結構。

　　簡(jiǎn)化后所建的計算物理模型如圖3.4.3、圖3.4.4、圖3.4.5所示。

　　3.5 熱仿真計算方法

　　Icepak是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的電子設備熱分析軟件，它能夠解決系統級、部件級、封裝級的熱分析問(wèn)題。它采用非結構化網(wǎng)格，能夠針對復雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結構化網(wǎng)格，求解采用有限體積法，以及Fluent求解器，保證工程問(wèn)題的計算精度。Icepak軟件求解三個(gè)控制方程：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。由于在空間環(huán)境下傳熱方式主要是熱傳導和熱輻射，不考慮對流方式，故只計算溫度場(chǎng)不計算流場(chǎng)，僅考查能量方程的收斂即可。

　　在導熱現象中，單位時(shí)間內通過(guò)給定截面的熱量，正比例于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。即是導熱基本定律，其數學(xué)表達式為：

　　式中：φ指單位時(shí)間內通過(guò)單位面積傳遞的熱量，x是垂直于面積A的坐標軸。

　　?t／?x是物體溫度沿x方向的變化率，式中負號表示熱量傳遞的方向指向溫度降低的方向。

　　在真空中，物體輻射能力決定于物體的材料特性、表面狀況(如顏色、粗糙度等)、表面積大小及表面溫度等。物體表面顏色越深，越粗糙，溫度越高，輻射能力越強。Icepak中研究的輻射是面對面的輻射，從面1(溫度為T(mén)1)到面2(溫度為T(mén)2)的輻射傳熱量由下式給出：

　　3.6 熱仿真計算

　　航天器大功率DC-DC變換器劃分網(wǎng)格類(lèi)型為非結構化六面體網(wǎng)格。航天器大功率DC-DC變換器計算物理模型網(wǎng)格見(jiàn)圖3.6.1.1、圖3.6.1.2。

　　Icepak軟件求解能量方程迭代求解殘差見(jiàn)圖3.6.1.3。求熱仿真溫度云圖見(jiàn)圖3.6.1.4、圖3.6.1.5、圖3.6.1.6、圖3.6.1.7。

　　根據熱仿真的結果可獲得主要發(fā)熱元器件結溫、殼溫或熱點(diǎn)溫度的最高值的仿真數據。其中，低功耗元器件的溫度近似取器件附近的板溫最高值。

　　4 航天器大功率DC-DC變換器熱仿真過(guò)程總結

　　利用Icepak軟件強大的熱分析功能，可以使電子產(chǎn)品熱設計工作大為改觀(guān)。熱仿真的結果需與模擬空間環(huán)境下獲得的實(shí)測溫度相互校驗及比較，以完善對產(chǎn)品散熱情況的真實(shí)逼近，反饋