航天器大功率DC-DC變換器熱仿真分析

　　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，實現傳導散熱，結構見圖3.4.2。

　　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)導熱系數按等效導熱系數計算；忽略對熱影響較小的導線；各結構表面為灰體，發射率和吸收率與波長無關，發射率(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。

　　3.5 熱仿真計算方法

　　Icepak是一個專業的電子設備熱分析軟件，它能夠解決系統級、部件級、封裝級的熱分析問題。它采用非結構化網格，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，其數學表達式為：

　　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：

　　3.6 熱仿真計算

　　航天器大功率DC-DC變換器劃分網格類型為非結構化六面體網格。航天器大功率DC-DC變換器計算物理模型網格見圖3.6.1.1、圖3.6.1.2。

　　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。

　　根據熱仿真的結果可獲得主要發熱元器件結溫、殼溫或熱點溫度的最高值的仿真數據。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，反饋設計，提高產品可靠度。熱仿真技術在熱分析中的有效應用，避免了昂貴的實際樣機因可能出現的多次設計方案更改而重復生產，并節省了模擬熱試驗的費用，壓縮了設計過程，提前了產品的交貨期。

　　但值得注意的是：任何先進的仿真軟件永遠無法代替人，軟件只是熱設計人員所使用的工具之一，仿真軟件結果的精度很大程度上取決于設計人員的經驗及理論水平。