航天器DC/DC變換器熱分析研究

摘 要： 為了解決航天器DC/DC變換器的熱可靠性問題，利用有限元分析軟件ANSYS對實(shí)際的航天器DC/DC變換器進(jìn)行熱仿真分析，得到了其內(nèi)部的溫度分布特性。并對其進(jìn)行了紅外成像測試實(shí)驗(yàn)，通過紅外成像測試結(jié)果與仿真分析結(jié)果對比分析，驗(yàn)證了熱仿真的準(zhǔn)確性。使用有限元分析方法為航天器DC/DC變換器合理熱設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為同類電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)提供了一種思路。

關(guān)鍵字： DC/DC變換器； 有限元法； 熱設(shè)計(jì)； 熱分析

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0035?04

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，在所有實(shí)效的電子設(shè)備中，其中由溫度過高導(dǎo)致實(shí)效的比例占到了55%，在電子設(shè)備使用過程中，過熱引起的損壞是最主要的故障形式[1]。隨著溫度的升高，電子設(shè)備的失效率也會不斷提高，有的元器件失效率甚至?xí)S著溫度提高10 ℃就提升一倍，所以被人們稱為十度法則[2]。針對電子設(shè)備的溫度加以設(shè)計(jì)，從而有效控制其熱損壞故障是提高電子設(shè)備使用穩(wěn)定性的重要途徑。尤其是對于航天電子系統(tǒng)而言，要求極高的穩(wěn)定性，因此必須進(jìn)行熱控制。隨著人們對電子設(shè)備熱控制的日益重視，熱設(shè)計(jì)在電子設(shè)備整體設(shè)計(jì)中的地位也越來越重要。通過對電子設(shè)備進(jìn)行可靠的熱分析能夠降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，并極大的縮短電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

1 熱分析基本理論

2 熱源分布及其損耗分析

2.1 功率器件的損耗

通常來看，功率器件的損耗主要有開關(guān)、導(dǎo)通及柵極驅(qū)動損耗。在表征功率器件中，熱阻和結(jié)溫是主要的熱能力參數(shù)。要想確保功率器件的穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)器件的可靠性能，就應(yīng)該確保其半導(dǎo)體組件工作于額定結(jié)溫條件下。

半導(dǎo)體組件的額定最高結(jié)溫大小是由器件的芯片、封裝等材料決定的。熱阻是表達(dá)功率器件散熱能力的主要指標(biāo)。通常情況下，熱阻越大則表示其散熱能力越差。熱阻可以分為兩個部分，即內(nèi)熱阻和外熱阻。內(nèi)熱組是功率器件本身的熱阻；外熱阻是與管殼封裝形式相關(guān)的。一般外熱阻與管殼的表面積成反比。在對功率器件的熱控制進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，主要分為以下幾個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：內(nèi)部芯片熱設(shè)計(jì)、封裝、管殼及實(shí)用熱設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中，主要是針對器件進(jìn)行實(shí)用熱設(shè)計(jì)，通過對功率器件的熱損耗進(jìn)行計(jì)算，從而設(shè)定科學(xué)的散熱布局和電路布局，以有效的增強(qiáng)功率器件的散熱，確保器件能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.2 變壓器及電感的損耗

眾所周知，變壓器和電感結(jié)構(gòu)大致是一樣的，本文中主要針對電感損耗進(jìn)行研究。

一般情況下，電感損耗主要來自磁芯損耗，也就是鐵損；還有就是來自電感繞組的損耗，也就是銅損。開關(guān)電源中的高頻交流電，會產(chǎn)生電流的趨膚效應(yīng)，隨著電感繞組頻率的增加，其電阻也會逐漸增大[5]。所以，在對銅損耗進(jìn)行計(jì)算時就會包含兩個部分損耗，即直流電阻與交流電阻損害。要想切實(shí)提高變壓器及電感的功率密度及熱性能，以防止熱失效，應(yīng)對其封裝技術(shù)、散熱技術(shù)、熱模型以及溫度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等熱設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

3 印制板及關(guān)鍵元器件的散熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)的目的是控制電子設(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)境條件下不超過規(guī)定的最高允許溫度。高溫對大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，它會導(dǎo)致電子元器件的失效，進(jìn)而引起整個設(shè)備的失效。重視航天電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)工作，能夠通過對電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，達(dá)到消除可靠性隱患，提高產(chǎn)品可靠性的效果。

3.1 印制板的散熱設(shè)計(jì)

印制板是電子設(shè)備中一個極其重要的組成部分，其熱設(shè)計(jì)是否科學(xué)，對電路性能有著嚴(yán)重的影響，也是引發(fā)電子設(shè)備失效的重要因素之一。

首先，印制板的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意結(jié)構(gòu)和布局的合理，以多層PCB板結(jié)構(gòu)為最佳。采用散熱印制板能夠提升其導(dǎo)熱能力，在多層結(jié)構(gòu)印制板中間加入金屬夾芯板，能夠提高多層板到散熱件的散熱性能。采用較大的焊盤置于板上的接地安裝孔，能夠使表面以及安裝螺栓的散熱性能提高。最大限度增加金屬化過孔來輔助散熱。

3.2 關(guān)鍵元器件的散熱設(shè)計(jì)

印制板上的元器件如何布置對于散熱來說有很大的作用。應(yīng)該最大限度地在PCB板上均勻分布功率器件，避免板上熱點(diǎn)集中，確保板表面的溫度性能均勻。在進(jìn)行實(shí)用設(shè)計(jì)時，要想實(shí)現(xiàn)分布的均勻存在較大的困難，但一定要避免熱量集中或某區(qū)域功率密度較高。對于功耗較高發(fā)熱量較大的器件，采用有效的散熱措施，通過有效的散熱途徑導(dǎo)出其熱量，降低工作溫度，進(jìn)而滿足溫度降額要求。

對于放置在PCB板下方的功率元器件，可在機(jī)殼底板對應(yīng)的位置增銑凸臺，使發(fā)熱器件與機(jī)殼間的距離減少到0.3 mm以內(nèi)，在兩者的接觸面之間填充0.38 mm導(dǎo)熱墊和導(dǎo)熱硅脂，使熱量以熱傳導(dǎo)方式導(dǎo)出。其散熱路徑示意圖見圖1。

4 ANSYS熱仿真軟件

ANSYS軟件是建立在FEM基礎(chǔ)之上的大型計(jì)算軟件，其應(yīng)用遍布國內(nèi)外諸多領(lǐng)域的工程中。采用該軟件計(jì)算出的結(jié)果相對可靠，圖表更加簡單。現(xiàn)階段，該軟件是應(yīng)用最為廣泛的工具軟件，它能夠針對不同領(lǐng)域的不同問題加以統(tǒng)計(jì)和分析，除了具備十分強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析功能之外，還能夠?yàn)槠渌I(lǐng)域的計(jì)算提供專業(yè)的分析和計(jì)算方法[6]。

ANSYS的熱分析是建立在能量守恒基礎(chǔ)之上的熱平衡方程，通過對各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的溫度分布進(jìn)行計(jì)算和采用有限元法進(jìn)行分析之后，推導(dǎo)出相關(guān)的物理參數(shù)。

5 實(shí)例分析

5.1 DC/DC變換器建模

DC/DC變換器采用六面體結(jié)構(gòu)，外形尺寸為：130 mm×110 mm×3 mm。DC/DC變換器殼體材料為2A12硬鋁合金，具有強(qiáng)度高、重量輕、導(dǎo)熱好、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮到主要發(fā)熱元器件的散熱問題，將這些器件均安裝在電源底部和電源殼體側(cè)壁，以便更好的散熱。由于計(jì)算是針對模塊建立計(jì)算物理模型，考慮到計(jì)算的可行性對模型進(jìn)行一定的簡化。建立計(jì)算物理模型時，做如下假設(shè)和簡化：

（1）印制電路板認(rèn)為正交同性材料，導(dǎo)熱系數(shù)按等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算；

（2）功率管襯底為長方體，芯片置于襯底上，兩者間填充絕緣層；

（3）磁性件外形為圓筒形，內(nèi)徑為不計(jì)環(huán)氧樹脂固封時的內(nèi)徑、外經(jīng)為包括環(huán)氧樹脂固封層厚的直徑，高為安裝高度；

（4）機(jī)架上圓弧過渡，半圓面認(rèn)為是直角及平面。

5.2 仿真的主要參數(shù)

（1）環(huán)境參數(shù)：電路外部環(huán)境溫度為20 ℃；熱傳遞只考慮熱傳導(dǎo)。

（2）材料參數(shù)：該模塊涉及的各部分材料參數(shù)如表1所示。

（3）功耗參數(shù)：本例DC/DC變換器產(chǎn)品的額定功率為50 W，根據(jù)估算效率為80%，計(jì)算得到熱耗為12 W，現(xiàn)取其中5個元器件，其功耗值見表2。

5.3 熱仿真結(jié)果與紅外成像儀測試結(jié)果對比分析

使用ANSYS有限元分析軟件，取熱條件最惡劣的情況即功率器件工作，真空條件，忽略輻射。該DC/DC變換器產(chǎn)品工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時溫度分布云圖見圖3。圖中可以清晰地看出，變壓器的熱量最高，溫度為36.5 ℃。

紅外攝像法是通過紅外攝像機(jī)進(jìn)行物體照片拍攝，進(jìn)而分析照片，將各種紅外輻射加以轉(zhuǎn)換，通過光學(xué)信號表示出來，從而使人明確物體表面的溫度分布和相關(guān)參數(shù)。采用熱輻射原理進(jìn)行溫度的測量，不僅需要測量元件與介質(zhì)的接觸，不會對被測介質(zhì)的溫度場形成影響，而且具有較快的反應(yīng)速度；但這種方法會受到物體表面的測量距離、發(fā)射頻率及環(huán)境等因素的影響。

在本實(shí)驗(yàn)中采用的紅外測試儀器IR913A型紅外熱成像儀。它是利用對物體表面微紅外輻射強(qiáng)度的測量，間接地計(jì)算得到定量的溫度分布值，并用彩色圖像來表達(dá)穩(wěn)態(tài)溫度場的分布。紅外測試實(shí)驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)見表3。圖4是在產(chǎn)品通電工作時拍攝得到的紅外圖像，拍攝時的環(huán)境溫度為20 ℃。將紅外測試結(jié)果與熱仿真結(jié)果進(jìn)行比較，見表4。

對比結(jié)果，得出測試結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差沒有超過10%。這是由于在仿真建模的過程中，在此對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了簡單的處理，將其與熱邊界條件進(jìn)行了近似處理，其準(zhǔn)確度與實(shí)際參數(shù)必定會有所差異。但從整體上看，仿真結(jié)果具有一定的熱設(shè)計(jì)意義，與相關(guān)要求相符。這也充分表明，采用建模的方式，能夠近似的模擬出既定條件下的測試結(jié)果。尤其是在某些區(qū)域，不僅需要明確熱點(diǎn)所在位置，而且必須明確其規(guī)模大小，這樣，就能夠使熱仿真結(jié)果具有更強(qiáng)的參考意義。

6 結(jié) 論

為解決DC?DC變換器的熱可靠性問題，本文結(jié)合實(shí)際例子，利用仿真軟件，模擬了電路內(nèi)部的溫度場分布特性。仿真結(jié)果為電路的初期熱設(shè)計(jì)或后期散熱性能的進(jìn)一步改善提供了依據(jù)，可為熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，推動設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高工作效率。

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