王珂，吳彥妮，周鵬偉，陳思佳，劉濤，馬聚沙

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

引言

電子電源控制單機(jī)是航天器電源分系統(tǒng)的控制中心，由于溫度對電子產(chǎn)品性能和可靠性的影響，電源控制器的熱設(shè)計(jì)是整個(gè)航天器設(shè)計(jì)制造過程中的核心環(huán)節(jié)之一[1]。為了降低航天器的研制成本，提高電源分系統(tǒng)的工作效率，需要電源控制器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模塊化、低成本、小體積、輕量化和高比功率的型譜化設(shè)計(jì)。高比功率就意味著發(fā)熱量大，在熱設(shè)計(jì)中需充分考慮器件高效散熱途徑。通過降低電子元件的工作溫度和結(jié)溫可以提高電子系統(tǒng)的可靠性，研究表明產(chǎn)品制造中應(yīng)用熱設(shè)計(jì)良好的元器件，但控制器熱設(shè)計(jì)不良仍會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品整體散熱效果不好，產(chǎn)品溫升較大[2,3]。研究指出工作溫度每升高 10 ℃，電子設(shè)備的可靠性就會(huì)降低50 %左右[4]。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)散熱不佳，電子設(shè)備的可靠性和使用壽命可能會(huì)降低約33 %，熱失控是一個(gè)嚴(yán)重的安全問題[2]。空氣冷卻（熱對流）是電子電源產(chǎn)品散熱的最簡單和最重要的技術(shù)，但航天器在軌空間環(huán)境為高真空，電源控制器單機(jī)只能通過熱傳導(dǎo)和熱輻射途徑進(jìn)行散熱。因此，強(qiáng)化電源單機(jī)的熱傳導(dǎo)和熱輻射是空間電源產(chǎn)品的主要方向。

王萌等人利用仿真方法對高密度密閉電子設(shè)備的不同散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱仿真分析，確定了最優(yōu)散熱結(jié)構(gòu)方案[5]；何明珠等人對通過仿真對非密閉式的大功率電源控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱仿真分析，研究得到了較好的熱設(shè)計(jì)方案[6]。周珺利用數(shù)值模擬方法對密閉式地面電子設(shè)備散熱途徑進(jìn)行了分析，研究指出密閉式電子設(shè)備的導(dǎo)熱路徑和導(dǎo)熱方式對設(shè)備溫度分布具有重要影響[7]；何偉等人對非密封式的電子設(shè)備通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方式，對不同結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備進(jìn)行散熱分析，得到較優(yōu)的散熱結(jié)構(gòu)方案，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證指出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果一致[8]。通常在密閉式電子設(shè)備散熱性能數(shù)值模擬中，在電子單機(jī)內(nèi)部建立充滿空氣的密閉空腔，而非密閉的電子單機(jī)則為開口設(shè)置，單機(jī)工作環(huán)境連通，但是對于航天器用電子單機(jī)周圍為高真空環(huán)境，地面裝配時(shí)單機(jī)殼體僅通過機(jī)械緊固方式連接，高真空環(huán)境下內(nèi)部會(huì)泄露空氣，形成真空環(huán)境。因此，為了空間環(huán)境電子設(shè)備可靠性運(yùn)行，有必要對電子單機(jī)的殼體密封性對產(chǎn)品散熱性能的影響進(jìn)行研究。

本文通過建立電源控制單機(jī)數(shù)值模型，利用ANSYS ICEPAK仿真軟件對電源控制單機(jī)的結(jié)構(gòu)密封與否進(jìn)行熱分析。首先模型設(shè)置為非密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)部與外界環(huán)境為真空狀態(tài)進(jìn)行熱分析；然后對模型內(nèi)部腔體設(shè)置為密封的空氣，外界環(huán)境為真空狀態(tài)進(jìn)行熱分析。對兩種結(jié)構(gòu)對控制器散熱性能進(jìn)行對比，分析結(jié)果將為空間環(huán)境使用的電子產(chǎn)品的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算方法

1.1 模型介紹

本研究以某型號電源控制器模型為例，如圖1所示，單機(jī)主要由7個(gè)模塊組成，分別為充分1模塊、充分2模塊、放電模塊、MEA模塊、配電模塊、加熱器模塊和下位機(jī)模塊組成。為減小其它因素引入的誤差，使用同一模型對兩種不同腔體環(huán)境。仿真時(shí)對模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化，將電路板上較小、功耗較低的元件，如電容、電阻等刪除，將起連接作用的緊固件，如螺釘、螺母、平墊、彈墊等刪除，對一些不影響結(jié)構(gòu)散熱的圓角倒角、電連接器等刪除[9]。雖然對整個(gè)模型進(jìn)行相應(yīng)簡化對散熱產(chǎn)生一定的影響，但僅對局部產(chǎn)生微小的變化，對整體散熱效果影響微小，并且對本文研究密封結(jié)構(gòu)與非密封結(jié)構(gòu)的散熱效果對比無影響。

1.2 傳熱類型

熱量傳遞由三種基本方式組成：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。航天器在軌空間環(huán)境處于高真空環(huán)境，大氣密度極低，因此不考慮空氣的對流傳熱途徑。對于電源控制器的傳熱途徑主要為元器件的熱耗通過導(dǎo)熱作用傳導(dǎo)至結(jié)構(gòu)或印制板，印制板再通過導(dǎo)熱傳至結(jié)構(gòu)，并且元器件間、元器件與結(jié)構(gòu)間、印制板之間，印制板與結(jié)構(gòu)之間等進(jìn)行輻射換熱，但熱耗主要通過熱傳導(dǎo)的形式傳遞給結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底面進(jìn)而與航天器熱控底板進(jìn)行熱交換。其它五個(gè)面均通過輻射換熱形式與周圍熱沉環(huán)境換熱。

熱傳導(dǎo)計(jì)算公式：

式中：

λ—材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

A—垂直于導(dǎo)熱方向的截面積，m2；

φ—傳導(dǎo)熱量，W；

q—熱流密度，W·m-2。

熱輻射計(jì)算公式：

式中：

φ—輻射換熱量，W；

σ—史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·k4)；

ε—表面發(fā)射率，0~1；

Ai—平面i得表面積，m2；

Fij—平面i到平面j的角系數(shù)；

Ti—平面i的絕對溫度，K；

Tj—平面j的絕對溫度，K。

1.3 邊界條件

根據(jù)產(chǎn)品在軌的高溫使用環(huán)境條件外擴(kuò)10 ℃，將環(huán)境溫度設(shè)置為 65 ℃，熱控底板溫度設(shè)置為65 ℃。功耗元器件設(shè)置為具有體積熱源的塊。兩種結(jié)構(gòu)使用相同的模型，對于密閉的模型，由于電裝裝配是地面完成，控制器內(nèi)部充滿不能流動(dòng)的空氣，內(nèi)部設(shè)置為靜止空氣（固體空氣）。非密閉模型內(nèi)部腔體與航天器運(yùn)行空間環(huán)境一致，設(shè)置為真空狀態(tài)。其余邊界條件全部相同。產(chǎn)品按照光照期充電模式工作，發(fā)熱器件功耗設(shè)置如表1所示。

表1 發(fā)熱器件功耗設(shè)置表

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

采用六面體占優(yōu)網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行劃分，比較網(wǎng)格數(shù)為 1360428、2355127 和 3370419 的非密封結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的溫度分布（圖2），以檢查網(wǎng)格獨(dú)立性。選擇D101.1和D401二極管為溫度監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測元器件幾何中心點(diǎn)上的溫度分布作為比較對象，對不同劃分網(wǎng)格數(shù)量的溫度結(jié)果進(jìn)行比較。如表2所示，發(fā)現(xiàn)差異小于1 %，認(rèn)為建模結(jié)果與網(wǎng)格無關(guān)，這與相關(guān)的研究結(jié)果一致[2]。

圖2 模型的網(wǎng)格劃分

表2 不同劃分網(wǎng)格數(shù)量的溫度結(jié)果

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對非密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)測試?？刂破髟诠庹掌诔潆娺^程中高溫工況下溫度穩(wěn)定時(shí)，記錄D101.1和 D401溫度監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)值。對試驗(yàn)測試結(jié)果和仿真模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3、表3所示，計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)的相對溫度誤差，均小于5 %。

圖3 內(nèi)部環(huán)境溫度驗(yàn)證

表3 仿真與實(shí)驗(yàn)對比誤差分析

2 結(jié)果與討論

分別對密封結(jié)構(gòu)和非密封結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行熱仿真，將兩種結(jié)構(gòu)形式的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4所示，通過對比發(fā)現(xiàn)，密封結(jié)構(gòu)的控制單機(jī)最高溫度為75.09 ℃，而非密封結(jié)構(gòu)控制單機(jī)最高溫度為72.28 ℃，說明非密封的結(jié)構(gòu)散熱性能比密封結(jié)構(gòu)散熱性能好，空氣的存在對內(nèi)部元器件或組件散熱起到阻礙作用，這歸因于空氣的低導(dǎo)熱率（0.024 1 W·m-1·K-1）。從控制單機(jī)殼體上看，兩種結(jié)構(gòu)的溫度梯度趨勢是一致的，歸因于控制單機(jī)的散熱方式主要為熱傳導(dǎo)方式，散熱途徑是一致的，內(nèi)部發(fā)熱元器件或組件通過接觸導(dǎo)熱形式將大部分熱量通過結(jié)構(gòu)框架傳遞到控溫底板，一部分熱量通過輻射形式傳遞給周圍環(huán)境。

圖4 整機(jī)溫度分布

對兩種結(jié)構(gòu)類型的單模塊溫度分布進(jìn)行比較，如圖5所示，可以看出兩種類型的單模塊溫度分布趨勢是相同的，這也是因?yàn)槟K內(nèi)部元器件的散熱方式主要以熱傳導(dǎo)為主。但對比發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部充滿靜止空氣的模塊溫度都比真空腔體的溫度高，最高溫度差為5.59 ℃。真空狀態(tài)下，元器件之間、元器件與相鄰模塊印制板之間、印制板與相鄰印制板之間、元器件和印制板與結(jié)構(gòu)框架之間都會(huì)以熱輻射形式進(jìn)行熱量交換，但密封腔體內(nèi)部充滿固體空氣，器件與相鄰器件之間只能通過導(dǎo)熱進(jìn)行熱量交換，空氣導(dǎo)熱率極低，對功耗器件起到了保溫作用，并且空氣存在嚴(yán)重阻礙了元器件、印制板及框架內(nèi)部之間的輻射換熱。因此在真空環(huán)境下，非密封結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能優(yōu)于密封結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能。

圖5 單模塊的溫度分布

3 結(jié)論

本文通過仿真模擬對空間環(huán)境使用的電源控制器結(jié)構(gòu)密封性對散熱性能的影響進(jìn)行了研究。利用同一模型，對內(nèi)部腔體設(shè)置為真空狀態(tài)與設(shè)置為固體空氣狀態(tài)的散熱性能進(jìn)行分析，通過對比發(fā)現(xiàn)，密閉結(jié)構(gòu)單機(jī)通過空氣介質(zhì)的導(dǎo)熱量較低，并且空氣阻礙了內(nèi)部組件間輻射換熱量，進(jìn)而影響整體散熱性能。與非密封結(jié)構(gòu)相比，單機(jī)內(nèi)部組件最大溫度高出了5.59 ℃，單機(jī)整體溫度升高了2.81 ℃，結(jié)果表明非密封結(jié)構(gòu)比密封結(jié)構(gòu)（內(nèi)部含空氣）更有利于產(chǎn)品散熱。