导言
跟着电子技能的迅猛开展，电子设备的功率密度不断进步。高功率密度带来的高温对大多数电子元器材将发生严峻的影响，它会导致电子元器材的失效，然后引起整个设备的失效。因而电子设备的热规划在整个产品的规划中占有越来越重要的方位，传统的热规划办法现已很难习惯开展的需求。为了削减规划本钱、进步产品的一次成功率，改进电子产品的功用，热仿真技能越来越遍及的运用于电子设备的热剖析进程。规划人员凭借热仿真可以削减规划、出产、再规划和再出产的费用，模仿特别作业环境中的边界条件，缩短高功用、高牢靠度电子设备的研发周期。
1 、航天器大功率DC-DC改换器热规划要求
DC-DC改换器是航天器在地上测验和在轨运转的各个阶段将太阳能或核能一次母线电压改换成二次母线电压或航天器内各种电子设备所需的电压，并安稳、牢靠地供应航天器内各种用电设备及有用载荷相应作业电流的重要设备。跟着我国空间作业的飞速开展，尤其是高轨迹、大容量、长寿命卫星，载人飞船及空间站相关技能的开展使航天器所需供电功率逐步增大，大功率的DC／DC电源将扮演日益重要的人物，其热规划直接关系到整个体系的牢靠作业。航天器大功率DC-DC改换器具有散热条件恶劣、高热耗等特色，发热量会集，本身热耗散布也不均匀，因为空间电子产品散热的特别性，对电源散热方法更有特别的要求。
航天器大功率DC-DC改换器中的功率MOSFET管、二极管、高频变压器是首要的发热器材，温度过高会使电力电子器材特性变差，作业不安稳，乃至损坏；温度超越居里温度时磁芯的磁状况由铁磁性转变成顺磁性，损坏高频变压器，然后导致DC-DC改换器损坏。航天器大功率DC-DC改换器热规划的意图是在无对流传热的空间环境下操控电子设备内部一切电子元器材的温度，使其在设备所在的作业环境条件下不超越规则的最高答应温度。
2 、温度参数取得的几种方法
电子设备热规划的首要问题便是温度参数的获取。温度参数的获取按测温方法可分为触摸式和非触摸式两大类。
2.1 触摸式的温度参数获取方法
触摸式温度参数获取原理简略、丈量精度较高；但因测温元件与被测介质需求必定时刻进行充沛的热交换已到达测验所需的热平衡，所以存在测温的推迟现象，一起测温元件会不可避免的从器材上吸走部分热量，测温元件通电测量时本身会发生部分热量，然后对测验成果有必定的影响。
触摸式的温度参数获取方法常常运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，测验精度高，反响速度快，安稳牢靠等特色。
b．热电偶：热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其长处是：丈量规模广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可接连丈量；结构简略，运用方便。
c．热电阻：热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的首要特色是丈量精度高，功用安稳。其间铂电阻的丈量精度是最高的，它不广泛运用于工业测温，并且被制成各种规范温度计（包括国家和国际基准温度）供计量和校准运用。
一般运用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻改变率为0.3851Ω／℃。铂电阻传感器有杰出的长时刻安稳性，典型实验数据为：在400℃时继续300小时，0℃时的最大温度漂移为0.02℃。
按IEC751国际规范，温度系数TCR=0.003851，Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R0=1000Ω）为一致规划型铂电阻。惯例产品的测验电流Pt100为1mA，Pt1000为0.5mA，实践运用时测验电流不该超越答应值。温度系数TCR=（R100-R0）／（R0×100），其间：
温度／电阻特性：
2.2 非触摸式的温度参数获取方法
非触摸式的温度参数获取方法首要有数值核算法、红外摄像法等方法。其间数值核算法首要依托经典结温公式：Tj=TA+PDθJA（即器材结温Tj等于环境温度TA加上器材功耗PD与器材热阻θJA的乘积）来核算器材结温；或运用PN结上施加恒流源后，结电压随温度的改变大约-1mV／℃～-2mV／℃，来估箅器材结温。
红外摄像法是用红外摄像机来拍照物体的红外相片（可以是某一瞬间的相片也可以是一段时刻内的接连印象），并对相片进行剖析，将方针各部分射出的红外辐射转换成肉眼可见的光学信号，然后得出物体外表温度散布的非触摸式的温度参数获取方法。经过热辐射原理来丈量温度，丈量元件不需求与被测介质触摸，不会损坏被测物体的温度场，反响速度一般也比较快；但遭到物体的外表发射率、丈量间隔、空间环境等外界要素的影响较大。
图2.2.1为选用测温规模-20℃～+400℃的IR913A型红外热成像仪收集的某航天器大功率DC-DC改换器地上实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取得电子设备可拍照部分的温度，成像的温度云图较其他温度参数取得方法的成果更为直观，但其缺陷是测验成果受作业环境条件影响较大，红外镜头拍照不到的方位难以收集温度参数。
因为各种温度取得方法各有利弊，一般在电子产品的整个研发进程中各种方法替换或一起运用，来到达取得翔实温度参数以反应规划的意图。
仅运用实测的温度参数反应规划，从经济视点和研发周期视点来看现已越来越不能满意产品的研发出产需求了。现在，电子产品热规划的通用方法已转变为在电子产品开发的初期即引进热剖析软件进行仿真剖析以辅佐规划，并在研发周期内运用实测与仿本相校核，更为快速有用的反应规划，完善产品的热规划。
3 、航天器大功率DC-DC改换器热仿真剖析
航天器大功率DC-DC改换器因为是作业在空间环境中的高功率密度电子产品，其热规划在整个产品牢靠性规划中尤为重要。空间热环境的模仿需很多经费、较长周期，故运用可以削减实验费用，模仿特别作业环境中的边界条件，缩短研发周期的热仿真在热规划进程中参加的份额大大进步。本文将介绍运用专业的电子产品热剖析软件对运用于空间环境中的航天器大功率DC-DC改换器进行热仿真剖析，以取得对真空热应力环境的模仿和产品在真空热应力下的散热状况及温度散布的仿真数据的进程。
3.1 热仿真软件
现在，国外许多公司现已开发出了品种繁复的依据核算传热学技能（NTS）和核算流体力学技能（CFD）电子设备散热规划辅佐剖析软件，有依据有限体积法的Flotherm、Ice-pack、I-deas等，及依据有限元的Ansys等，其间Flotherm、Ice-pack占有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联合开发的强壮的CAE电子设备散热专业剖析软件东西，它可以对电子产品的传热、活动、辐射进行模仿，然后进行仿真剖析并反应规划以进步产品的质量。Icepak选用的是Fluent核算流体动力学（CFD）求解引擎。该求解器可以完结灵敏的网格区分，可以运用非结构化网格求解杂乱几许问题。多点离散求解算法可以加快求解时刻。可以协助规划人员监控到无法丈量的方位的数据。整个软件选用一致的集成化的环境界面。运用者能在较短的时刻内将该软件运用于实践的规划剖析中。
3.2 热耗核算与热耗散布
航天器大功率DC-DC改换器功率改换电路的热耗首要由功率MOSFET管和变压器承当，操控电路的热耗首要是由芯片发生，输出整流电路的热耗首要由输出整流二极管承当。
理论上可以经过丈量电流电压来核算电子元器材的发热功率，从取得而热耗，但实践操作起来比较困难，尤其是在杂乱电路中对电流值进行丈量。一般的处理办法是经过某些电路仿真软件，比方Pspice或saber来仿真出电功耗，但电功耗是温度的函数，现在大部分电路仿真软件对温度的考虑仍不充沛，并且并不是一切的电功耗都转化为热功耗，磁损耗、电磁辐射损耗对热耗核算也不容忽视。经过规划人员剖析及仿真而取得的热耗核算值与热耗散布状况，很大程度上决议了热仿真剖析数据的可信度。
3.3 边界条件的确认及热参数的选取
传热有辐射、对流和传导三种方法。在空间运用中，基本上不存在对流传热这种方法，仅考察热传导及辐射。航天器大功率DC-DC改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仿芯片的热源上，周围环境为真空。
热仿真剖析中运用的热参数的选取首要指用于核算热阻的导热系数λ的选取。
航天器大功率DC-DC改换器产品热仿真剖析的资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表明PCB板及元件的导热系数。
PCB板的等效导热系数λeq依据PCB板各部分质量分数、体积分数核算。PCB板一般由绝缘体（如FR4）和铜经过加热和加压制造而成，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要素。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）式核算：
其间i层的导体剩下率：对铜箔层是铜箔的剩下率，对绝缘层，其剩下率近似为1。
元件的等效导热系数λeq由封装资料、引脚资料、装置资料等导热系数组成，经过等效热阻公式核算。将元件从结点至印制电路板的传热看作一维导热。依据元件不同的装置方法，可以树立不同类型的电热模仿热路图，按（2）式等效热阻公式核算等效导热系数。
其间：δ—沿导热方向的等效厚度；S—与传热途径笔直的等效导热面积；Rtot—元件电热模仿热路图的总热阻。
3.4 热仿真建模
树立一个合理的热仿真模型，是确保热仿真剖析成果准确的条件。
关于首要热耗器材功率MOSFET管、整流管，装置于功率铝基板上，均选用SMD-1封装，封装方法见图3.4.1。采纳的装置方法为将功率MOSFET管焊接于铝基板上经过导热硅脂与产品铝外壳底面严密触摸，铝外壳底面与温控热沉严密触摸，完成传导散热，结构见图3.4.2。
关于航天器大功率DC-DC改换器产品树立核算物理模型，考虑到核算网格区分及热传导与热辐射剖析核算的可行性对模型进行必定的简化。印制电路板（PCB板）导热系数按等效导热系数核算；疏忽对热影响较小的导线；各结构外表为灰体，发射率和吸收率与波长无关，发射率（ε）=吸收率（α）；各结构外表为漫反射面，反射率与射入／射出的方向无关；各结构外表是热辐射不透明的，可以疏忽透射率。
航天器大功率DC-DC改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。首要为板结构（PLATE）及块（BLOCK）结构。
简化后所建的核算物理模型如图3.4.3、图3.4.4、图3.4.5所示。
3.5 热仿真核算办法
Icepak是一个专业的电子设备热剖析软件，它可以处理体系级、部件级、封装级的热剖析问题。它选用非结构化网格，可以针对杂乱的几许外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格，求解选用有限体积法，以及Fluent求解器，确保工程问题的核算精度。Icepak软件求解三个操控方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。因为在空间环境下传热方法首要是热传导和热辐射，不考虑对流方法，故只核算温度场不核算流场，仅考察能量方程的收敛即可。
在导热现象中，单位时刻内经过给定截面的热量，正份额于笔直于该截面方向上的温度改变率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。便是导热基本定律，其数学表达式为：
式中：φ指单位时刻内经过单位面积传递的热量，x是笔直于面积A的坐标轴。
？t／？x是物体温度沿x方向的改变率，式中负号表明热量传递的方向指向温度下降的方向。
在真空中，物体辐射才能决议于物体的资料特性、外表状况（如色彩、粗糙度等）、外表积巨细及外表温度等。物体外表色彩越深，越粗糙，温度越高，辐射才能越强。Icepak中研讨的辐射是面临面的辐射，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 热仿真核算
航天器大功率DC-DC改换器区分网格类型为非结构化六面体网格。航天器大功率DC-DC改换器核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。
依据热仿真的成果可取得首要发热元器材结温、壳温或热门温度的最高值的仿真数据。其间，低功耗元器材的温度近似取器材邻近的板温最高值。
4、 航天器大功率DC-DC改换器热仿真进程总结
运用Icepak软件强壮的热剖析功用，可以使电子产品热规划作业大为改观。热仿真的成果需与模仿空间环境下取得的实测温度彼此校验及比较，以完善对产品散热状况的实在迫临，反应规划，进步产品牢靠度。热仿真技能在热剖析中的有用运用，避免了贵重的实践样机因或许呈现的屡次规划方案更改而重复出产，并节省了模仿热实验的费用，紧缩了规划进程，提早了产品的交货期。
但值得注意的是：任何先进的仿真软件永久无法代替人，软件仅仅热规划人员所运用的东西之一，仿真软件成果的精度很大程度上取决于规划人员的经历及理论水平。
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