航天器大功率DC-DC变换器热仿真分析

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；Rtot—元件电热模拟热路图的总热阻。

　　3.4 热仿真建模

建立一个合理的热仿真模型，是保证热仿真分析结果精确的前提。

对于主要热耗器件功率MOSFET管、整流管，安装于功率铝基板上，均选用SMD-1封装，封装形式见图3.4.1。采取的安装方式为将功率MOSFET管焊接于铝基板上通过导热硅脂与产品铝外壳底面紧密接触，铝外壳底面与温控热沉紧密接触，实现传导散热，结构见图3.4.2。

对于航天器大功率DC-DC变换器产品建立计算物理模型，考虑到计算网格划分及热传导与热辐射分析计算的可行性对模型进行一定的简化。印制电路板(PCB板)导热系数按等效导热系数计算；忽略对热影响较小的导线；各结构表面为灰体，发射率和吸收率与波长无关，发射率(ε)=吸收率(α)；各结构表面为漫反射面，反射率与射入／射出的方向无关；各结构表面是热辐射不透明的，可以忽略透射率。

航天器大功率DC-DC变换器产品热仿真模型由板(PLATE)、柱体(PRISM等)、印制电路板(PCB)、面(FACE)、机壳(CABINET)、块(BLOCK)、源(SOURCE)等构成。主要为板结构(PLATE)及块(BLOCK)结构。

简化后所建的计算物理模型如图3.4.3、图3.4.4、图3.4.5所示。

　　3.5 热仿真计算方法

Icepak是一个专业的电子设备热分析软件，它能够解决系统级、部件级、封装级的热分析问题。它采用非结构化网格，能够针对复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格，求解采用有限体积法，以及Fluent求解器，保证工程问题的计算精度。Icepak软件求解三个控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。由于在空间环境下传热方式主要是热传导和热辐射，不考虑对流方式，故只计算温度场不计算流场，仅考查能量方程的收敛即可。

在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。即是导热基本定律，其数学表达式为：

式中：φ指单位时间内通过单位面积传递的热量，x是垂直于面积A的坐标轴。

?t／?x是物体温度沿x方向的变化率，式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向。

在真空中，物体辐射能力决定于物体的材料特性、表面状况(如颜色、粗糙度等)、表面积大小及表面温度等。物体表面颜色越深，越粗糙，温度越高，辐射能力越强。Icepak中研究的辐射是面对面的辐射，从面1(温度为T1)到面2(温度为T2)的辐射传热量由下式给出：

3.6 热仿真计算

航天器大功率DC-DC变换器划分网格类型为非结构化六面体网格。航天器大功率DC-DC变换器计算物理模型网格见图3.6.1.1、图3.6.1.2。

Icepak软件求解能量方程迭代求解残差见图3.6.1.3。求热仿真温度云图见图3.6.1.4、图3.6.1.5、图3.6.1.6、图3.6.1.7。

根据热仿真的结果可获得主要发热元器件结温、壳温或热点温度的最高值的仿真数据。其中，低功耗元器件的温度近似取器件附近的板温最高值。

　　4 航天器大功率DC-DC变换器热仿真过程总结

利用Icepak软件强大的热分析功能，可以使电子产品热设计工作大为改观。热仿真的结果需与模拟空间环境下获得的实测温度相互校验及比较，以完善对产品散热情况的真实逼近，反馈设计，提高产品可靠度。热仿真技术在热分析中的有效应用，避免了昂贵的实际样机因可能出现的多次设计方案更改而重复生产，并节省了模拟热试验的费用，压缩了设计过程，提前了产品的交货期。

但值得注意的是：任何先进的仿真软件永远无法代替人，软件只是热设计人员所使用的工具之一，仿真软件结果的精度很大程度上取决于设计人员的经验及理论水平。