航天器大功率DC-DC變換器的熱仿真分析

　　3.2 熱耗計(jì)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(dān)，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(dān)。

　　理論上可以通過(guò)測(cè)量電流電壓來(lái)計(jì)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(fù)雜電路中對(duì)電流值進(jìn)行測(cè)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(shù)，目前大部分電路仿真軟件對(duì)溫度的考慮仍不充分，而且并不是所有的電功耗都轉(zhuǎn)化為熱功耗，磁損耗、電磁輻射損耗對(duì)熱耗計(jì)算也不容忽視。通過(guò)設(shè)計(jì)人員分析及仿真而獲得的熱耗計(jì)算值與熱耗分布情況，很大程度上決定了熱仿真分析數(shù)據(jù)的可信度。

　　3.3 邊界條件的確定及熱參數(shù)的選取

　　傳熱有輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種方式。在空間應(yīng)用中，基本上不存在對(duì)流傳熱這種形式，僅考查熱傳導(dǎo)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(shù)的選取主要指用于計(jì)算熱阻的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)的選取見(jiàn)表3.3。

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

　　PCB板的等效導(dǎo)熱系數(shù)λeq根據(jù)PCB板各部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)計(jì)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(dǎo)電和導(dǎo)熱。FR4的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.35W／(m?K)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)為385.1W／(m?K)，故銅的含量是影響導(dǎo)熱的重要因素。多層PCB板斷面結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。

　　等效導(dǎo)熱系數(shù)熱參數(shù)的選取按式(1)式計(jì)算：

　　其中i層的導(dǎo)體剩余率：對(duì)銅箔層是銅箔的剩余率，對(duì)絕緣層，其剩余率近似為1。

　　元件的等效導(dǎo)熱系數(shù)λeq由封裝材料、引腳材料、安裝材料等導(dǎo)熱系數(shù)組成，通過(guò)等效熱阻公式計(jì)算。將元件從結(jié)點(diǎn)至印制電路板的傳熱看作一維導(dǎo)熱。根據(jù)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(jì)算等效導(dǎo)熱系數(shù)。

　　其中：δ—沿導(dǎo)熱方向的等效厚度；S—與傳熱路徑垂直的等效導(dǎo)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(jié)果精確的前提。

　　對(duì)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(dǎo)熱硅脂與產(chǎn)品鋁外殼底面緊密接觸，鋁外殼底面與溫控?zé)岢辆o密接觸，實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)散熱，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.4.2。

　　對(duì)于航天器大功率DC-DC變換器產(chǎn)品建立計(jì)算物理模型，考慮到計(jì)算網(wǎng)格劃分及熱傳導(dǎo)與熱輻射分析計(jì)算的可行性對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。印制電路板(PCB板)導(dǎo)熱系數(shù)按等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算；忽略對(duì)熱影響較小的導(dǎo)線(xiàn)；各結(jié)構(gòu)表面為灰體，發(fā)射率和吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，發(fā)射率(ε)=吸收率(α)；各結(jié)構(gòu)表面為漫反射面，反射率與射入／射出的方向無(wú)關(guān)；各結(jié)構(gòu)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(jī)殼(CABINET)、塊(BLOCK)、源(SOURCE)等構(gòu)成。主要為板結(jié)構(gòu)(PLATE)及塊(BLOCK)結(jié)構(gòu)。

　　簡(jiǎn)化后所建的計(jì)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(jì)算方法

　　Icepak是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的電子設(shè)備熱分析軟件，它能夠解決系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)、封裝級(jí)的熱分析問(wèn)題。它采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能夠針對(duì)復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結(jié)構(gòu)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(jì)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(dǎo)和熱輻射，不考慮對(duì)流方式，故只計(jì)算溫度場(chǎng)不計(jì)算流場(chǎng)，僅考查能量方程的收斂即可。

　　在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)間內(nèi)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(dǎo)熱基本定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

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

　　?t／?x是物體溫度沿x方向的變化率，式中負(fù)號(hào)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(qiáng)。Icepak中研究的輻射是面對(duì)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(jì)算

　　航天器大功率DC-DC變換器劃分網(wǎng)格類(lèi)型為非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。航天器大功率DC-DC變換器計(jì)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(jù)熱仿真的結(jié)果可獲得主要發(fā)熱元器件結(jié)溫、殼溫或熱點(diǎn)溫度的最高值的仿真數(shù)據(jù)。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(jié)

　　利用Icepak軟件強(qiáng)大的熱分析功能，可以使電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)工作大為改觀(guān)。熱仿真的結(jié)果需與模擬空間環(huán)境下獲得的實(shí)測(cè)溫度相互校驗(yàn)及比較，以完善對(duì)產(chǎn)品散熱情況的真實(shí)逼近，反饋