航天器大功率DC-DC變換器熱仿真分析

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子設(shè)備的功率密度不斷提高。高功率密度帶來(lái)的高溫對(duì)大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，它會(huì)導(dǎo)致電子元器件的失效，進(jìn)而引起整個(gè)設(shè)備的失效。因此電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中占有越來(lái)越重要的地位，傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難適應(yīng)發(fā)展的需要。為了減少設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子產(chǎn)品的性能，熱仿真技術(shù)越來(lái)越普遍的應(yīng)用于電子設(shè)備的熱分析過(guò)程。設(shè)計(jì)人員借助熱仿真可以減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生產(chǎn)的費(fèi)用，模擬特殊工作環(huán)境中的邊界條件，縮短高性能、高可靠度電子設(shè)備的研制周期。

1 航天器大功率DC-DC變換器熱設(shè)計(jì)要求

DC-DC變換器是航天器在地面測(cè)試和在軌運(yùn)行的各個(gè)階段將太陽(yáng)能或核能一次母線電壓變換成二次母線電壓或航天器內(nèi)各種電子設(shè)備所需的電壓，并穩(wěn)定、可靠地供給航天器內(nèi)各種用電設(shè)備及有效載荷相應(yīng)工作電流的重要設(shè)備。隨著我國(guó)空間事業(yè)的飛速發(fā)展，尤其是高軌道、大容量、長(zhǎng)壽命衛(wèi)星，載人飛船及空間站相關(guān)技術(shù)的發(fā)展使航天器所需供電功率逐漸增大，大功率的DC／DC電源將扮演日益重要的角色，其熱設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠工作。航天器大功率DC-DC變換器具有散熱條件惡劣、高熱耗等特點(diǎn)，發(fā)熱量集中，本身熱耗分布也不均勻，由于空間電子產(chǎn)品散熱的特殊性，對(duì)電源散熱方式更有特殊的要求。

航天器大功率DC-DC變換器中的功率MOSFET管、二極管、高頻變壓器是主要的發(fā)熱器件，溫度過(guò)高會(huì)使電力電子器件特性變差，工作不穩(wěn)定，甚至損壞；溫度超過(guò)居里溫度時(shí)磁芯的磁狀態(tài)由鐵磁性轉(zhuǎn)變成順磁性，損壞高頻變壓器，進(jìn)而導(dǎo)致DC-DC變換器損壞。航天器大功率DC-DC變換器熱設(shè)計(jì)的目的是在無(wú)對(duì)流傳熱的空間環(huán)境下控制電子設(shè)備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)規(guī)定的最高允許溫度。

2 溫度參數(shù)獲得的幾種方式

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題即是溫度參數(shù)的獲取。溫度參數(shù)的獲取按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。

2.1 接觸式的溫度參數(shù)獲取方式

接觸式溫度參數(shù)獲取原理簡(jiǎn)單、測(cè)量精度較高；但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要一定時(shí)間進(jìn)行充分的熱交換已達(dá)到測(cè)試所需的熱平衡，所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)測(cè)溫元件會(huì)不可避免的從器件上吸走部分熱量，測(cè)溫元件通電測(cè)量時(shí)自身會(huì)產(chǎn)生部分熱量，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響。

接觸式的溫度參數(shù)獲取方式經(jīng)常使用的測(cè)溫元件有以下幾種：

a．熱敏電阻：NTC熱敏電阻器，具有體積小，測(cè)試精度高，反應(yīng)速度快，穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

b．熱電偶：熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可連續(xù)測(cè)量；構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。

c．熱電阻：熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑電阻的測(cè)量精度是最高的，它不廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)(涵蓋國(guó)家和世界基準(zhǔn)溫度)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。

通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω，電阻變化率為0.3851Ω／℃。鉑電阻傳感器有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：在400℃時(shí)持續(xù)300小時(shí)，0℃時(shí)的最大溫度漂移為0.02℃。

按IEC751國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)TCR=0.003851，Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型鉑電阻。常規(guī)產(chǎn)品的測(cè)試電流Pt100為1mA，Pt1000為0.5mA，實(shí)際應(yīng)用時(shí)測(cè)試電流不應(yīng)超過(guò)允許值。溫度系數(shù)TCR=(R100-R0)／(R0×100)，其中：

溫度／電阻特性：

2.2 非接觸式的溫度參數(shù)獲取方式

非接觸式的溫度參數(shù)獲取方式主要有數(shù)值計(jì)算法、紅外攝像法等方式。其中數(shù)值計(jì)算法主要依靠經(jīng)典結(jié)溫公式：Tj=TA+PDθJA(即器件結(jié)溫Tj等于環(huán)境溫度TA加上器件功耗PD與器件熱阻θJA的乘積)來(lái)計(jì)算器件結(jié)溫；或利用PN結(jié)上施加恒流源后，結(jié)電壓隨溫度的變化大約-1mV／℃～-2mV／℃，來(lái)估箅器件結(jié)溫。

紅外攝像法是用紅外攝像機(jī)來(lái)拍攝物體的紅外照片(可以是某一瞬間的照片也可以是一段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)影像)，并對(duì)照片進(jìn)行分析，將目標(biāo)各部分射出的紅外輻射轉(zhuǎn)換成肉眼可見的光學(xué)信號(hào)，從而得出物體表面溫度分布的非接觸式的溫度參數(shù)獲取方式。通過(guò)熱輻射原理來(lái)測(cè)量溫度，測(cè)量元件不需要與被測(cè)介質(zhì)接觸，不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的表面發(fā)射率、測(cè)量距離、空間環(huán)境等外界因素的影響較大。

圖2.2.1為采用測(cè)溫范圍-20℃～+400℃的IR913A型紅外熱成像儀采集的某航天器大功率DC-DC變換器地面試驗(yàn)電路板在大氣中的熱成像數(shù)據(jù)圖。

紅外攝像法可以較好的獲得電子設(shè)備可拍攝部分的溫度，成像的溫度云圖較其他溫度參數(shù)獲得方式的結(jié)果更為直觀，但其缺點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果受工作環(huán)境條件影響較大，紅外鏡頭拍攝不到的位置難以采集溫度參數(shù)。

由于各種溫度獲得方式各有利弊，通常在電子產(chǎn)品的整個(gè)研制過(guò)程中各種方式交替或同時(shí)使用，來(lái)達(dá)到獲得詳盡溫度參數(shù)以反饋設(shè)計(jì)的目的。

僅應(yīng)用實(shí)測(cè)的溫度參數(shù)反饋設(shè)計(jì)，從經(jīng)濟(jì)角度和研制周期角度來(lái)看已經(jīng)越來(lái)越不能滿足產(chǎn)品的研制生產(chǎn)需要了。目前，電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的通用模式已轉(zhuǎn)變?yōu)樵陔娮赢a(chǎn)品開發(fā)的初期即引入熱分析軟件進(jìn)行仿真分析以輔助設(shè)計(jì)，并在研制周期內(nèi)利用實(shí)測(cè)與仿真相校核，更為快速有效的反饋設(shè)計(jì)，完善產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)。

3 航天器大功率DC-DC變換器熱仿真分析

航天器大功率DC-DC變換器由于是工作在空間環(huán)境中的高功率密度電子產(chǎn)品，其熱設(shè)計(jì)在整個(gè)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中尤為重要?？臻g熱環(huán)境的模擬需大量經(jīng)費(fèi)、較長(zhǎng)周期，故應(yīng)用可以減少試驗(yàn)費(fèi)用，模擬特殊工作環(huán)境中的邊界條件，縮短研制周期的熱仿真在熱設(shè)計(jì)過(guò)程中參與的比例大大提高。本文將介紹利用專業(yè)的電子產(chǎn)品熱分析軟件對(duì)應(yīng)用于空間環(huán)境中的航天器大功率DC-DC變換器進(jìn)行熱仿真分析，以獲得對(duì)真空熱應(yīng)力環(huán)境的模擬和產(chǎn)品在真空熱應(yīng)力下的散熱情況及溫度分布的仿真數(shù)據(jù)的過(guò)程。

3.1 熱仿真軟件

目前，國(guó)外許多公司已經(jīng)開發(fā)出了種類繁多的基于計(jì)算傳熱學(xué)技術(shù)(NTS)和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)(CFD)電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)輔助分析軟件，有基于有限體積法的Flotherm、Ice-pack、I-deas等，及基于有限元的Ansys等，其中Flotherm、Ice-pack占據(jù)了大部分的市場(chǎng)份額。

美國(guó)Fluent公司的Icepak軟件是由Fluent公司和ICEM-CFD聯(lián)合開發(fā)的強(qiáng)大的CAE電子設(shè)備散熱專業(yè)分析軟件工具，它能夠?qū)﹄娮赢a(chǎn)品的傳熱、流動(dòng)、輻射進(jìn)行模擬，從而進(jìn)行仿真分析并反饋設(shè)計(jì)以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。Icepak采用的是Fluent計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)求解引擎。該求解器能夠完成靈活的網(wǎng)格劃分，能夠利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格求解復(fù)雜幾何問(wèn)題。多點(diǎn)離散求解算法能夠加速求解時(shí)間。能夠幫助設(shè)計(jì)人員監(jiān)控到無(wú)法測(cè)量的位置的數(shù)據(jù)。整個(gè)軟件采用統(tǒng)一的集成化的環(huán)境界面。使用者能在較短的時(shí)間內(nèi)將該軟件應(yīng)用于實(shí)際的設(shè)計(jì)分析中。

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，周圍環(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；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T1)到面2(溫度為T2)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圖3.6.1.3。求熱仿真溫度云圖見圖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。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，反饋設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可靠度。熱仿真技術(shù)在熱分析中的有效應(yīng)用，避免了昂貴的實(shí)際樣機(jī)因可能出現(xiàn)的多次設(shè)計(jì)方案更改而重復(fù)生產(chǎn)，并節(jié)省了模擬熱試驗(yàn)的費(fèi)用，壓縮了設(shè)計(jì)過(guò)程，提前了產(chǎn)品的交貨期。

但值得注意的是：任何先進(jìn)的仿真軟件永遠(yuǎn)無(wú)法代替人，軟件只是熱設(shè)計(jì)人員所使用的工具之一，仿真軟件結(jié)果的精度很大程度上取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)及理論水平。