航天器dc-dc变换器热研究探究

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1、航天器DC/DC变换器热研究探究　　摘要：为了解决航天器DC/DC变换器的热可靠性问题，利用有限元分析软件ANSYS对实际的航天器DC/DC变换器进行热仿真分析，得到了其内部的温度分布特性。并对其进行了红外成像测试实验，通过红外成像测试结果与仿真分析结果对比分析，验证了热仿真的准确性。使用有限元分析方法为航天器DC/DC变换器合理热设计提供了依据，也为同类电子设备的热设计提供了一种思路。关键字：DC/DC变换器；有限元法；热设计；热分析中图分类号：TN911?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）

2、18?0035?04根据相关统计表明，在所有实效的电子设备中，其中由温度过高导致实效的比例占到了55%，在电子设备使用过程中，过热引起的损坏是最主要的故障形式[1]。随着温度的升高，电子设备的失效率也会不断提高，有的元器件失效率甚至会随着温度提高108℃就提升一倍，所以被人们称为十度法则[2]。针对电子设备的温度加以设计，从而有效控制其热损坏故障是提高电子设备使用稳定性的重要途径。尤其是对于航天电子系统而言，要求极高的稳定性，因此必须进行热控制。随着人们对电子设备热控制的日益重视，热设计在电子设备整体设计中的地位也越

3、来越重要。通过对电子设备进行可靠的热分析能够降低设计成本，提高产品的稳定性，并极大的缩短电子产品的设计周期。1热分析基本理论2热源分布及其损耗分析2.1功率器件的损耗通常来看，功率器件的损耗主要有开关、导通及栅极驱动损耗。在表征功率器件中，热阻和结温是主要的热能力参数。要想确保功率器件的稳定运行，增强器件的可靠性能，就应该确保其半导体组件工作于额定结温条件下。半导体组件的额定最高结温大小是由器件的芯片、封装等材料决定的。热阻是表达功率器件散热能力的主要指标。通常情况下，热阻越大则表示其散热能力越差。热阻可以分为两个部

4、分，即内热阻和外热阻。内热组是功率器件本身的热阻；外热阻是与管壳封装形式相关的。一般外热阻与管壳的表面积成反比。在对功率器件的热控制进行设计过程中，主要分为以下几个设计环节：内部芯片热设计、封装、管壳及实用热设计。设计人员在设计中，主要是针对器件进行实用热设计，通过对功率器件的热损耗进行计算，从而设定科学的散热布局和电路布局，以有效的增强功率器件的散热，确保器件能够安全稳定的运行。2.2变压器及电感的损耗8众所周知，变压器和电感结构大致是一样的，本文中主要针对电感损耗进行研究。一般情况下，电感损耗主要来自磁芯损耗，也

5、就是铁损；还有就是来自电感绕组的损耗，也就是铜损。开关电源中的高频交流电，会产生电流的趋肤效应，随着电感绕组频率的增加，其电阻也会逐渐增大[5]。所以，在对铜损耗进行计算时就会包含两个部分损耗，即直流电阻与交流电阻损害。要想切实提高变压器及电感的功率密度及热性能，以防止热失效，应对其封装技术、散热技术、热模型以及温度设计准则等热设计技术进行深入的研究。3印制板及关键元器件的散热设计热设计的目的是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。高温对大多数电子元器件将产生严

6、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。重视航天电子产品的热设计工作，能够通过对电子产品的热设计，达到消除可靠性隐患，提高产品可靠性的效果。3.1印制板的散热设计印制板是电子设备中一个极其重要的组成部分，其热设计是否科学，对电路性能有着严重的影响，也是引发电子设备失效的重要因素之一。8首先，印制板的设计应该注意结构和布局的合理，以多层PCB板结构为最佳。采用散热印制板能够提升其导热能力，在多层结构印制板中间加入金属夹芯板，能够提高多层板到散热件的散热性能。采用较大的焊盘置于板上的接地安装孔，能够使

7、表面以及安装螺栓的散热性能提高。最大限度增加金属化过孔来辅助散热。3.2关键元器件的散热设计印制板上的元器件如何布置对于散热来说有很大的作用。应该最大限度地在PCB板上均匀分布功率器件，避免板上热点集中，确保板表面的温度性能均匀。在进行实用设计时，要想实现分布的均匀存在较大的困难，但一定要避免热量集中或某区域功率密度较高。对于功耗较高发热量较大的器件，采用有效的散热措施，通过有效的散热途径导出其热量，降低工作温度，进而满足温度降额要求。对于放置在PCB板下方的功率元器件，可在机壳底板对应的位置增铣凸台，使发热器件与机

8、壳间的距离减少到0.3mm以内，在两者的接触面之间填充0.38mm导热垫和导热硅脂，使热量以热传导方式导出。其散热路径示意图见图1。4ANSYS热仿真软件8ANSYS软件是建立在FEM基础之上的大型计算软件，其应用遍布国内外诸多领域的工程中。采用该软件计算出的结果相对可靠，图表更加简单。现阶段，该软件是应用最为广泛的工具软件，它能够针对不同领域