航天器大功率DC-DC变换器热仿真分析

地面试验电路板在大气中的热成像数据图。

红外摄像法可以较好的获得电子设备可拍摄部分的温度，成像的温度云图较其他温度参数获得方式的结果更为直观，但其缺点是测试结果受工作环境条件影响较大，红外镜头拍摄不到的位置难以采集温度参数。

由于各种温度获得方式各有利弊，通常在电子产品的整个研制过程中各种方式交替或同时使用，来达到获得详尽温度参数以反馈设计的目的。

仅应用实测的温度参数反馈设计，从经济角度和研制周期角度来看已经越来越不能满足产品的研制生产需要了。目前，电子产品热设计的通用模式已转变为在电子产品开发的初期即引入热分析软件进行仿真分析以辅助设计，并在研制周期内利用实测与仿真相校核，更为快速有效的反馈设计，完善产品的热设计。

　　3 航天器大功率DC-DC变换器热仿真分析

航天器大功率DC-DC变换器由于是工作在空间环境中的高功率密度电子产品，其热设计在整个产品可靠性设计中尤为重要。空间热环境的模拟需大量经费、较长周期，故应用可以减少试验费用，模拟特殊工作环境中的边界条件，缩短研制周期的热仿真在热设计过程中参与的比例大大提高。本文将介绍利用专业的电子产品热分析软件对应用于空间环境中的航天器大功率DC-DC变换器进行热仿真分析，以获得对真空热应力环境的模拟和产品在真空热应力下的散热情况及温度分布的仿真数据的过程。

　　3.1 热仿真软件

目前，国外许多公司已经开发出了种类繁多的基于计算传热学技术(NTS)和计算流体力学技术(CFD)电子设备散热设计辅助分析软件，有基于有限体积法的Flotherm、Ice-pack、I-deas等，及基于有限元的Ansys等，其中Flotherm、Ice-pack占据了大部分的市场份额。

美国Fluent公司的Icepak软件是由Fluent公司和ICEM-CFD联合开发的强大的CAE电子设备散热专业分析软件工具，它能够对电子产品的传热、流动、辐射进行模拟，从而进行仿真分析并反馈设计以提高产品的质量。Icepak采用的是Fluent计算流体动力学(CFD)求解引擎。该求解器能够完成灵活的网格划分，能够利用非结构化网格求解复杂几何问题。多点离散求解算法能够加速求解时间。能够帮助设计人员监控到无法测量的位置的数据。整个软件采用统一的集成化的环境界面。使用者能在较短的时间内将该软件应用于实际的设计分析中。

　　3.2 热耗计算与热耗分布

航天器大功率DC-DC变换器功率变换电路的热耗主要由功率MOSFET管和变压器承担，控制电路的热耗主要是由芯片产生，输出整流电路的热耗主要由输出整流二极管承担。

理论上可以通过测量电流电压来计算电子元器件的发热功率，从获得而热耗，但实际操作起来比较困难，尤其是在复杂电路中对电流值进行测量。通常的解决方法是通过某些电路仿真软件，比如Pspice或saber来仿真出电功耗，但电功耗是温度的函数，目前大部分电路仿真软件对温度的考虑仍不充分，而且并不是所有的电功耗都转化为热功耗，磁损耗、电磁辐射损耗对热耗计算也不容忽视。通过设计人员分析及仿真而获得的热耗计算值与热耗分布情况，很大程度上决定了热仿真分析数据的可信度。

　　3.3 边界条件的确定及热参数的选取

传热有辐射、对流和传导三种方式。在空间应用中，基本上不存在对流传热这种形式，仅考查热传导及辐射。航天器大功率DC-DC变换器产品底板与温度为50℃的热沉密贴，温度恒定为50℃，发热元件功耗加在元件模型或用来模拟芯片的热源上，周围环境为真空。

热仿真分析中使用的热参数的选取主要指用于计算热阻的导热系数λ的选取。

航天器大功率DC-DC变换器产品热仿真分析的材料导热系数的选取见表3.3。

在做热仿真时，用等效导热系数λeq表示PCB板及元件的导热系数。

PCB板的等效导热系数λeq根据PCB板各部分质量分数、体积分数计算。PCB板一般由绝缘体(如FR4)和铜经过加热和加压制作而成，铜的作用是导电和导热。FR4的导热系数一般为0.35W／(m?K)，铜的导热系数为385.1W／(m?K)，故铜的含量是影响导热的重要因素。多层PCB板断面结构如图3.3所示。

等效导热系数热参数的选取按式(1)式计算：

其中i层的导体剩余率：对铜箔层是铜箔的剩余率，对绝缘层，其剩余率近似为1。

元件的等效导热系数λeq由封装材料、引脚材料、安装材料等导热系数组成，通过等效热阻公式计算。将元件从结点至印制电路板的传热看作一维导热。根据元件不同的安装方式，可以建立不同类型的电热模拟热路图，按(2)式等效热阻公式计算等效导热系数。

其中：δ—沿导热方向的等效厚度；S—与传热路径垂直的等效导热面积；Rt