航天器大功率DC-DC变换器热仿真分析

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        引言

  随着电子技术的迅猛发展,电子设备的功率密度不断提高。高功率密度带来的高温对大多数电子元器件将产生严重的影响,它会导致电子元器件的失效,进而引起整个设备的失效。

       因此电子设备的热设计在整个产品的设计中占有越来越重要的地位,传统的热设计方法已经很难适应发展的需要。为了减少设计成本、提高产品的一次成功率,改善电子产品的性能,热仿真技术越来越普遍的应用于电子设备的热分析过程。设计人员借助热仿真可以减少设计、生产、再设计和再生产的费用,模拟特殊工作环境中的边界条件,缩短高性能、高可靠度电子设备的研制周期。

  1 航天器大功率DC-DC变换器热设计要求

  DC-DC变换器是航天器在地面测试和在轨运行的各个阶段将太阳能或核能一次母线电压变换成二次母线电压或航天器内各种电子设备所需的电压,并稳定、可靠地供给航天器内各种用电设备及有效载荷相应工作电流的重要设备。随着我国空间事业的飞速发展,尤其是高轨道、大容量、长寿命卫星,载人飞船及空间站相关技术的发展使航天器所需供电功率逐渐增大,大功率的DC/DC电源将扮演日益重要的角色,其热设计直接关系到整个系统的可靠工作。航天器大功率DC-DC变换器具有散热条件恶劣、高热耗等特点,发热量集中,本身热耗分布也不均匀,由于空间电子产品散热的特殊性,对电源散热方式更有特殊的要求。

  航天器大功率DC-DC变换器中的功率MOSFET管、二极管、高频变压器是主要的发热器件,温度过高会使电力电子器件特性变差,工作不稳定,甚至损坏;温度超过居里温度时磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性,损坏高频变压器,进而导致DC-DC变换器损坏。航天器大功率DC-DC变换器热设计的目的是在无对流传热的空间环境下控制电子设备内部所有电子元器件的温度,使其在设备所处的工作环境条件下不超过规定的最高允许温度。

  2 温度参数获得的几种方式

  电子设备热设计的首要问题即是温度参数的获取。温度参数的获取按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。

  2.1 接触式的温度参数获取方式

  接触式温度参数获取原理简单、测量精度较高;但因测温元件与被测介质需要一定时间进行充分的热交换已达到测试所需的热平衡,所以存在测温的延迟现象,同时测温元件会不可避免的从器件上吸走部分热量,测温元件通电测量时自身会产生部分热量,从而对测试结果有一定的影响。

  接触式的温度参数获取方式经常使用的测温元件有以下几种:

  a.热敏电阻:NTC热敏电阻器,具有体积小,测试精度高,反应速度快,稳定可靠等特点。

  b.热电偶:热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是:测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量;构造简单,使用方便。

  c.热电阻:热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂电阻的测量精度是最高的,它不广泛应用于工业测温,而且被制成各种标准温度计(涵盖国家和世界基准温度)供计量和校准使用。

  通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω,电阻变化率为0.3851Ω/℃。铂电阻传感器有良好的长期稳定性,典型实验数据为:在400℃时持续300小时,0℃时的最大温度漂移为0.02℃。

  按IEC751国际标准,温度系数TCR=0.003851,Pt100(R0=100Ω)、Pt1000(R0=1000Ω)为统一设计型铂电阻。常规产品的测试电流Pt100为1mA,Pt1000为0.5mA,实际应用时测试电流不应超过允许值。温度系数TCR=(R100-R0)/(R0×100),其中:

       温度/电阻特性:

 



        2.2 非接触式的温度参数获取方式

  非接触式的温度参数获取方式主要有数值计算法、红外摄像法等方式。其中数值计算法主要依靠经典结温公式:Tj=TA+PDθJA(即器件结温Tj等于环境温度TA加上器件功耗PD与器件热阻θJA的乘积)来计算器件结温;或利用PN结上施加恒流源后,结电压随温度的变化大约-1mV/℃~-2mV/℃,来估箅器件结温。

  红外摄像法是用红外摄像机来拍摄物体的红外照片(可以是某一瞬间的照片也可以是一段时间内的连续影像),并对照片进行分析,将目标各部分射出的红外辐射转换成肉眼可见的光学信号,从而得出物体表面温度分布的非接触式的温度参数获取方式。通过热辐射原理来测量温度,测量元件不需要与被测介质接触,不会破坏被测物体的温度场,反应速度一般也比较快;但受到物体的表面发射率、测量距离、空间环境等外界因素的影响较大。

  图2.2.1为采用测温范围-20℃~+400℃的IR913A型红外热成像仪采集的某航天器大功率DC-DC变换器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;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。


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航天器大功率DC-DC变换器热仿真分析

因此电子设备的热设计在整个产品的设计中占有越来越重要的地位,传统的热设计方法已经很难适应发展的需要。为了减少设计成本、提高产品的一次成功率,改善电子产品的性能,热仿真技术越来越普遍的应用于电子设备的热分析过程。设计人员借助热仿真可以减少设计、生产、再设计和再生产的费用,模拟特殊工作环境中的边界条件,缩短高性能、高可靠度电子设备的研制周期。

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