航天器大功率DC-DC變換器的熱仿真分析

　　引言

　　隨著電子技術的迅猛發(fā)展，電子設備的功率密度不斷提高。高功率密度帶來的高溫對大多數(shù)電子元器件將產生嚴重的影響，它會導致電子元器件的失效，進而引起整個設備的失效。因此電子設備的熱設計在整個產品的設計中占有越來越重要的地位，傳統(tǒng)的熱設計方法已經很難適應發(fā)展的需要。為了減少設計成本、提高產品的一次成功率，改善電子產品的性能，熱仿真技術越來越普遍的應用于電子設備的熱分析過程。設計人員借助熱仿真可以減少設計、生產、再設計和再生產的費用，模擬特殊工作環(huán)境中的邊界條件，縮短高性能、高可靠度電子設備的研制周期。

　　1 航天器大功率DC-DC變換器熱設計要求

　　DC-DC變換器是航天器在地面測試和在軌運行的各個階段將太陽能或核能一次母線電壓變換成二次母線電壓或航天器內各種電子設備所需的電壓，并穩(wěn)定、可靠地供給航天器內各種用電設備及有效載荷相應工作電流的重要設備。隨著我國空間事業(yè)的飛速發(fā)展，尤其是高軌道、大容量、長壽命衛(wèi)星，載人飛船及空間站相關技術的發(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，其熱設計直接關系到整個系統(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，發(fā)熱量集中，本身熱耗分布也不均勻，由于空間電子產品散熱的特殊性，對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，溫度過高會使電力電子器件特性變差，工作不穩(wěn)定，甚至損壞；溫度超過居里溫度時磁芯的磁狀態(tài)由鐵磁性轉變成順磁性，損壞高頻變壓器，進而導致DC-DC變換器損壞。航天器大功率DC-DC變換器熱設計的目的是在無對流傳熱的空間環(huán)境下控制電子設備內部所有電子元器件的溫度，使其在設備所處的工作環(huán)境條件下不超過規(guī)定的最高允許溫度。

　　2 溫度參數(shù)獲得的幾種方式

　　電子設備熱設計的首要問題即是溫度參數(shù)的獲取。溫度參數(shù)的獲取按測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)獲取原理簡單、測量精度較高；但因測溫元件與被測介質需要一定時間進行充分的熱交換已達到測試所需的熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象，同時測溫元件會不可避免的從器件上吸走部分熱量，測溫元件通電測量時自身會產生部分熱量，從而對測試結果有一定的影響。

　　接觸式的溫度參數(shù)獲取方式經常使用的測溫元件有以下幾種：

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

　　b．熱電偶：熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：測量范圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可連續(xù)測量；構造簡單，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器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑電阻的測量精度是最高的，它不廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計(涵蓋國家和世界基準溫度)供計量和校準使用。

　　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期穩(wěn)定性，典型實驗數(shù)據(jù)為：在400℃時持續(xù)300小時，0℃時的最大溫度漂移為0.02℃。

　　按IEC751國際標準，溫度系數(shù)TCR=0.003851，Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)為統(tǒng)一設計型鉑電阻。常規(guī)產品的測試電流Pt100為1mA，Pt1000為0.5mA，實際應用時測試電流不應超過允許值。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)值計算法、紅外攝像法等方式。其中數(shù)值計算法主要依靠經典結溫公式：Tj=TA+PDθJA(即器件結溫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)來計算器件結溫；或利用PN結上施加恒流源后，結電壓隨溫度的變化大約-1mV／℃～-2mV／℃，來估箅器件結溫。

　　紅外攝像法是用紅外攝像機來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間內的連續(xù)影像)，并對照片進行分析，將目標各部分射出的紅外輻射轉換成肉眼可見的光學信號，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。通過熱輻射原理來測量溫度，測量元件不需要與被測介質接觸，不會破壞被測物體的溫度場，反應速度一般也比較快；但受到物體的表面發(fā)射率、測量距離、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)獲得方式的結果更為直觀，但其缺點是測試結果受工作環(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，通常在電子產品的整個研制過程中各種方式交替或同時使用，來達到獲得詳盡溫度參數(shù)以反饋設計的目的。

　　僅應用實測的溫度參數(shù)反饋設計，從經濟角度和研制周期角度來看已經越來越不能滿足產品的研制生產需要了。目前，電子產品熱設計的通用模式已轉變?yōu)樵陔娮赢a品開發(fā)的初期即引入熱分析軟件進行仿真分析以輔助設計，并在研制周期內利用實測與仿真相校核，更為快速有效的反饋設計，完善產品的熱設計。

　　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品，其熱設計在整個產品可靠性設計中尤為重要。空間熱環(huán)境的模擬需大量經費、較長周期，故應用可以減少試驗費用，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計過程中參與的比例大大提高。本文將介紹利用專業(yè)的電子產品熱分析軟件對應用于空間環(huán)境中的航天器大功率DC-DC變換器進行熱仿真分析，以獲得對真空熱應力環(huán)境的模擬和產品在真空熱應力下的散熱情況及溫度分布的仿真數(shù)據(jù)的過程。

　　3.1 熱仿真軟件

　　目前，國外許多公司已經開發(fā)出了種類繁多的基于計算傳熱學技術(NTS)和計算流體力學技術(CFD)電子設備散熱設計輔助分析軟件，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)了大部分的市場份額。

　　美國Fluent公司的Icepak軟件是由Fluent公司和ICEM-CFD聯(lián)合開發(fā)的強大的CAE電子設備散熱專業(yè)分析軟件工具，它能夠對電子產品的傳熱、流動、輻射進行模擬，從而進行仿真分析并反饋設計以提高產品的質量。Icepak采用的是Fluent計算流體動力學(CFD)求解引擎。該求解器能夠完成靈活的網格劃分，能夠利用非結構化網格求解復雜幾何問題。多點離散求解算法能夠加速求解時間。能夠幫助設計人員監(jiān)控到無法測量的位置的數(shù)據(jù)。整個軟件采用統(tǒng)一的集成化的環(huán)境界面。使用者能在較短的時間內將該