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。