航天器大功率DC-DC變換器的熱仿真分析
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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。
理論上可以通過測量電流電壓來計算電子元器件的發(fā)熱功率，從獲得而熱耗，但實際操作起來比較困難，尤其是在復雜電路中對電流值進行測量。通常的解決方法是通過某些電路仿真軟件，比如Pspice或saber來仿真出電功耗，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(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算熱阻的導熱系數(shù)λ的選取。
航天器大功率DC-DC變換器產品熱仿真分析的材料導熱系數(shù)的選取見表3.3。
在做熱仿真時，用等效導熱系數(shù)λeq表示PCB板及元件的導熱系數(shù)。
PCB板的等效導熱系數(shù)λeq根據(jù)PCB板各部分質量分數(shù)、體積分數(shù)計算。PCB板一般由絕緣體(如FR4)和銅經(jīng)過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(shù)一般為0.35W／(m?K)，銅的導熱系數(shù)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(shù)熱參數(shù)的選取按式(1)式計算：
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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(shù)λeq由封裝材料、引腳材料、安裝材料等導熱系數(shù)組成，通過等效熱阻公式計算。將元件從結點至印制電路板的傳熱看作一維導熱。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)式等效熱阻公式計算等效導熱系數(shù)。
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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導熱硅脂與產品鋁外殼底面緊密接觸，鋁外殼底面與溫控熱沉緊密接觸，實現(xiàn)傳導散熱，結構見圖3.4.2。
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對于航天器大功率DC-DC變換器產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行一定的簡化。印制電路板(PCB板)導熱系數(shù)按等效導熱系數(shù)計算；忽略對熱影響較小的導線；各結構表面為灰體，發(fā)射率和吸收率與波長無關，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／射出的方向無關；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。
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3.5 熱仿真計算方法
Icepak是一個專業(yè)的電子設備熱分析軟件，它能夠解決系統(tǒng)級、部件級、封裝級的熱分析問題。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，保證工程問題的計算精度。Icepak軟件求解三個控制方程：質量守恒方程、動量守恒方程、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，故只計算溫度場不計算流場，僅考查能量方程的收斂即可。
在導熱現(xiàn)象中，單位時間內通過給定截面的熱量，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(shù)學表達式為：
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式中：φ指單位時間內通過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T1)到面2(溫度為T2)的輻射傳熱量由下式給出：
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3.6 熱仿真計算
航天器大功率DC-DC變換器劃分網(wǎng)格類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)格見圖3.6.1.1、圖3.6.1.2。
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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。
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根據(jù)熱仿真的結果可獲得主要發(fā)熱元器件結溫、殼溫或熱點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變換器熱仿真過程總結
利用Icepak軟件強大的熱分析功能，可以使電子產品熱設計工作大為改觀。熱仿真的結果需與模擬空間環(huán)境下獲得的實測溫度相互校驗及比較，以完善對產品散熱情況的真實逼近，反饋
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