星載行波管電源的熱設計及熱分析

空間電子技術(shù)200年第3期SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY星載行波管電源的熱設計及熱分析周麗萍宋燕平(西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所西安710000摘要文章對一種國產(chǎn)的、用于星上行波管電源所存在的熱問(wèn)題進(jìn)行了討論,分析了影響設備內部溫度水平的關(guān)鍵因素,基于機、電、熱一體化的思想提出了熱設計方案,并通過(guò)計算機輔助技術(shù),對方案進(jìn)行了熱分析仿真驗證。關(guān)鍵詞星載行波管電源熱設計熱分析計解決方案,并對該方案進(jìn)行了計算機輔助的熱分0引言析仿真星載行波管電源是一種將衛星提供的一次直流1星載行波管電源的熱問(wèn)題分析電源變換為行波管所需電壓的電子設備。國產(chǎn)的星載行波管電源如圖1所示,主要由低壓模塊、高壓模與應用于地面的行波管電源不同,適用于空塊以及控制模塊構成。設備長(cháng)260mm,寬114mm,間環(huán)境的星載行波管電源在熱方面主要有以下特高98mm,重約23kg點(diǎn)適用于衛星上的行波管電源,由于其結構、工作(1)工作環(huán)境特殊。星載行波管電源安裝在環(huán)境和可靠性要求的限制,在熱問(wèn)題上存在著(zhù)熱量衛星有效載荷艙的艙板內部,工作環(huán)境的氣壓低相對集中、散熱途徑有限、元器件溫度降額要求高、于1.3×10-3Pa,氣體的熱傳導和對流換熱基本可熱設計可靠性要求髙等特點(diǎn)。文章根據一種星載行以忽略,輻射換熱和固體的熱傳導是星載行波管波管電源的工作環(huán)境及可靠性設計要求,討論了該電源的主要熱量傳遞方式。有源器件的散熱相對行波管電源主要存在的熱問(wèn)題及影響電源溫度分布于存在對流換熱的地面環(huán)境來(lái)說(shuō)更為困難。另的關(guān)鍵因素;從機、電、熱一體化的角度提出了熱設外,衛星的有效載荷艙通過(guò)采取一定的熱控措施,壓板低壓AP后域蓋雖然避免了空間太陽(yáng)輻照、地球輻照、地球反照及4K的冷空影響但艙外熱流的變化仍使得艙內電子設備的工作環(huán)境溫度有可能在-10℃-50℃變化,星載行波管電源在高溫環(huán)境的散熱問(wèn)題較地面更為嚴重(2)熱量相對集中。應用于空間環(huán)境的行波管電源要求設備的結構緊湊、體積小,這樣對于高壓器有高壓架文壓器AP2底座件和其他發(fā)熱量大的器件及電路布局可用的空間就圖1行波管電源的結構圖中國煤化工于元器件的散熱。波管電源可能的散收稿日期:200-12-26;修回日期:2008-02-14熱CNMHj用行波管電源,星空間電子技術(shù)2009年第3期載行波管電源所能夠采取的散熱措施有限,常用于支架,并在支架的機械安裝處加入導熱填料來(lái)提髙地面電子設備散熱的風(fēng)冷和水冷等熱控措施,由于機殼的傳熱能力。設備的安裝面選用了高平面度和空間真空環(huán)境的特點(diǎn)以及星載電子設備對體積、質(zhì)低粗糙度來(lái)降低設備安裝面與衛星艙板的接觸熱量的限制而無(wú)法應用于星載行波管電源。阻。機殼的外罩及端蓋內外表面均進(jìn)行了黑色陽(yáng)極元器件化處理,使表面發(fā)射率大于0.85,從而提高機殼的輻射換熱能力。2.2印制電路板的熱設計印制電路板印制電路板的熱設計主要是印制電路板的鋪層設計。通過(guò)選用合理的鋪層數目及覆銅百分比來(lái)提高印制電路板的傳熱能力。印制電路板是一種由基材和鍍銅層間隔分布構成的復合材料,是一種各向異性材料,其結構示意圖及當量熱導率示意圖如圖C底面安裝板3所示。印制電路板的平行板面熱導率和垂直板面熱圖2星載行波管電源的散熱途徑導率是由基材及鍍層的材料、鍍層層數、鍍層厚度(4)元器件溫度降額要求高。由于航天產(chǎn)品高及每一層的鍍層面積的百分比決定的。星載行波可靠性的要求,星載行波管電源的元器件必須滿(mǎn)足管電源所選用的印制電路板為環(huán)氧樹(shù)脂覆銅板,I級降額要求,這就使得元器件的允許溫度值遠遠鍍層厚度為70μm。材料的各向熱導率與鍍層層低于其額定值數的關(guān)系如圖4所示,與覆銅百分比的關(guān)系如圖5(5)熱設計的可靠性要求高。星載行波管電源所示。的熱設計不僅要保證行波管電源在空間能夠順利地第1層(銅)工作,同時(shí),還要保證熱設計的可靠性,不能因為采第2層(銅)取的熱控措施而降低整個(gè)系統的可靠性。3層(銅)4層(仰)2星載行波管電源的熱設計(a)4層印制電路板鋪層示意圖針對以上存在的熱問(wèn)題,在國產(chǎn)星載行波管電源的熱設計上采用了機、電、熱一體化設計的思路,在熱設計時(shí)全面考慮熱設計對電設計和結構設計的K=K=個(gè)行板面熱導率影響,并及時(shí)反饋熱設計信息至電設計及結構設計將機、電、熱設計穿插進(jìn)行(b)當量熱導率示意圖(K,、K,平行板面熱導率,影響星載行波管電源設備內部溫度水平的關(guān)鍵K垂直板面熱導率)因素包括:(1)設備的工作環(huán)境;(2)元器件的熱耗3印制電路板的鋪層及其當量熱導率及布局;(3)印制電路板的導熱能力;(4)設備機殼由圖4、圖5可以看出,覆銅層數及覆銅百分比的散熱能力。熱設計主要從機殼、印制電路板和元對印制電路板垂直板面的熱導率的影響較小,而對器件3個(gè)方面入手,選用被動(dòng)熱控制技術(shù)來(lái)解決設于平行板面熱導率有顯著(zhù)的影響。星載行波管電源備的散熱問(wèn)題。在電路設計要求下選用了4層及6層環(huán)氧樹(shù)脂覆銅2.1機殼的熱設計板,有中國煤化工板的覆蓋比例,星載行波管電源的機殼選用了熱導率高的鋁合達電路板的當量熱導金材料。在設計時(shí),使用了當量厚度較大的電路板率如CNMHG20年第3期周麗萍等:星載行波管電源的熱設計及熱分析756層環(huán)氧樹(shù)脂銅板覆銅率100%的環(huán)氧樹(shù)覆銅板100平行板面熱導平行教熱導率00鉛四真要熱事圖4熱導率與覆銅層數的關(guān)系圖5熱導率與覆銅百分比的關(guān)系表1行波管電源電路板的當量熱導率(單位:W/(m:℃))電路板名稱(chēng)AP(4層)AP2(6層)銅覆蓋率(%)30903575平行板面熱導率22.31.5垂直板面熱導率0.210.222.3元器件的熱設計星載行波管電源高壓部分元器件的熱問(wèn)題主要集3星載行波管電源的計算機輔助熱分中在高壓變壓器的磁芯和線(xiàn)圈上。線(xiàn)圈的散熱采用了析仿真引出散熱片的方法。將兩個(gè)銅制的帶有L形的導熱片的環(huán)形散熱器(如圖6所示)附加在兩個(gè)內外線(xiàn)圈之熱分析仿真使用了 Flowmerics公司的熱分析間通過(guò)散熱器將線(xiàn)圈產(chǎn)生的熱量直接傳導至機殼上。軟件 Nothern,該軟件采用有限體積的方法進(jìn)行數值計算。熱分析機殼模型中簡(jiǎn)化了倒角、螺釘孔接插件等對傳熱計算影響都較小的特征。印制電環(huán)形數熱器路板等效為同樣尺寸的具有各向異性材料特征的內線(xiàn)圈平板。元器件簡(jiǎn)化為尺寸相同的矩形塊,有管腳的器件在建模時(shí)將管腳簡(jiǎn)化為分布在器件主體側安裝腳面具有當量尺寸的L形角片。元器件的結溫可通過(guò)下式計算:圖6變壓器及其一側線(xiàn)的環(huán)形散熱器在星載行波管電源的熱設計中,低壓部分發(fā)熱量其中T為元器件的結溫T為元器件的殼溫B為較大的元器件直接安裝在低壓支架上,通過(guò)傳導散有源區間與器件外殼間的熱阻Q為元器件的熱耗熱。印制電路板上的發(fā)熱元器件分散布局,盡量靠近設備內部接觸面的接觸傳熱系數取100W電路板的安裝孔,避免熱量集中,提高散熱能力。(m2K),分機與衛星艙板的接觸面的接觸傳熱系元器件的安裝面均涂敷有控制接觸熱阻的導熱數取1500W/(m2·K)。衛星艙板為熱傳導邊界,填料,衛星常用接觸面導熱填料如表2所示。在星取高溫工況50℃,空間環(huán)境為輻射邊界,溫度為載行波管電源的熱設計中采用了導熱硅脂和導熱50℃。熱分析的網(wǎng)格均為矩形網(wǎng)格,在有元器件分硅膠作為元器件接觸面的導熱填料布的位置均采取了局部網(wǎng)格的劃分以提高局部的計裹2衛星常用接觸面導熱填料算精度。熱分析模型如圖7所示,計算的收斂情況名稱(chēng)熱導率填充后接觸面的如圖8所示。W/(m·K)|傳熱系數W/(m2K86.98通過(guò)軟件的熱分析仿真,可以計算出行波管電D]-3導熱脂032×104源內中國煤化工度分布云圖如圖導熱脂0.6257669所元GD414跬橡膠HCNMHO°空間電子技術(shù)2009年第3期選代圖7熱分析的模型圖圖8熱分析的收斂曲線(xiàn)TH獲M圖9分機內部溫度分布云圖通過(guò)計算仿真的熱分析結果可以看出,設備內部的元器件均可以滿(mǎn)足級降額的要求。分機內部4結論溫度分布均勻,高壓變壓器的散熱器起到了預期的通過(guò)采取合理熱控涂層、提高印制電路板的傳效果,安裝在印制電路板上的元器件散熱途徑通暢,熱能力、優(yōu)化元器件的布局、為元器件設計散熱器等溫度水平較低,各個(gè)結構支架的散熱作用良好。分熱控方法,經(jīng)過(guò)熱分析仿真的驗證,行波管電源的熱機的安裝底板上的溫度分布較為均勻,最大的熱流設計能夠滿(mǎn)足其在空間環(huán)境中正常工作的要求。在密度小于0.5W/m2,不會(huì )對安裝艙板造成大的影后續的工作中將對星載行波管電源進(jìn)行真空環(huán)境的響熱試驗驗證。表3元器件溫度列表位置器件位號器件名稱(chēng)熱耗計算殼/內熱阻R計算結溫|I級降額溫度指標(W)(℃)(℃/W)|(℃(℃)NIOsLM1240.1261.765.380(7)LM1240.1280(7)SG52502465.13072.3C226濾波電容0.62.3115(7)v9螺旋極調節器10(T)SGI5250.2465中國煤化T80(7)0.5CNMHG2009年第3期周麗萍等:星載行波管電源的熱設計及熱分析PCBI70.085電感85L102電感N201預調器0.2954.455.390(T)V201LMII70.2954.4低壓支架IRHM72504558.80.8359.290(7)V12IRHM725004559.30.8359.790(T)V13IRHMT2500.4558.90.8359.390(7)V14IRHM725008358090(7)磁芯1.458.9線(xiàn)圈62.2變壓器0.2250.5作者簡(jiǎn)介參考文周麗萍1977年生,碩士研究生。主要研究方[]閩桂榮郭舜著(zhù).航天器熱控制(第二版).北京:科學(xué)向:衛星天線(xiàn)及星載電子設備的結構設計。出版社,1998宋燕平1963年生,碩土,研究員。主要研究方向:衛星天線(xiàn)及星載電子設備的結構設計。Thermal Design and Thermal Analysis of ElectronicPower Controller for SpacecraftZhou Liping Song Yanping(Xi' an Institute of Space Radio Technology, Xi an 710000)Abstract This paper focuses on the thermal problem of a domestic Electronic Power Controller(EPC)ofTraveling-Wave Tube Amplifier for spacecraft. The key factor which influences the equipment temperature is intro-duced. An integrative design method combined thermal design with mechanical design and electronic design is ap-plied in the EPC thermal design process. A computer aid thermal analysis is accomplished to verify the thermal de-Key words Electronic power controller for spacecraft Thermal design Thermal analysis中國煤化工CNMHG