一種運載火箭用大功率電動伺服驅(qū)動器的散熱設(shè)計*

胡翔宇，王堯堯，周 陽，宋樹偉，于 戈

(1.上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109；2.上海市伺服系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心·上海·201109)

0 引 言

電動伺服機構(gòu)具有響應(yīng)迅速、精度和效率高、調(diào)速范圍寬、負(fù)載能力大、控制性能優(yōu)良等特點，被廣泛應(yīng)用于各類閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)中。隨著電動機構(gòu)的發(fā)展與成熟，航天領(lǐng)域已經(jīng)越來越多地采用了電動機構(gòu)作為多種航天產(chǎn)品的執(zhí)行機構(gòu)。伺服驅(qū)動器通過將電能轉(zhuǎn)換為動能，驅(qū)動伺服機構(gòu)，以實現(xiàn)位置跟蹤。伺服驅(qū)動器通常采用IPM或IGBT等器件作為功率驅(qū)動器件。當(dāng)功率驅(qū)動器件的輸出功率較小時，一般無需添加散熱裝置，或不用進行特殊設(shè)計，而功率驅(qū)動器件的輸出功率一旦較大，若不采取散熱措施，則管芯的溫度可達(dá)到或超過允許的結(jié)溫，器件將受到損壞[1]。因此，為了改善散熱性能，通常采用散熱器進行傳熱。肋片式散熱器因在質(zhì)量、尺寸、加工等方面可實現(xiàn)較好的控制，已成為電子設(shè)備中最為常用的一種散熱器。

一般情況下，可根據(jù)經(jīng)驗選取標(biāo)準(zhǔn)件的散熱器，也可根據(jù)實際使用要求設(shè)計非標(biāo)準(zhǔn)的散熱器。航天產(chǎn)品所面臨的內(nèi)部熱環(huán)境極為惡劣，功率器件僅可通過散熱器進行自然對流散熱，在散熱器的設(shè)計上需要綜合考慮驅(qū)動器的散熱性能和航天產(chǎn)品對伺服驅(qū)動器重量及體積的限制，因此一般會根據(jù)指標(biāo)要求設(shè)計非標(biāo)準(zhǔn)的散熱器。目前，國內(nèi)針對大功率航天電子設(shè)備的散熱器尚無明確的設(shè)計方法，而是根據(jù)工程經(jīng)驗選取型材尺寸，對散熱效果無法進行定量的評估[2]。本文利用熱力學(xué)的理論公式，對散熱器的結(jié)構(gòu)進行了計算，借助三維建模軟件設(shè)計三維模型，通過熱仿真軟件對三維模型做出了熱仿真分析，并通過實際試驗獲得了真實的試驗數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)驗證了理論計算的正確性。

1 散熱系統(tǒng)的理論分析與設(shè)計

1.1 理論分析

熱的主要傳導(dǎo)方式有3種：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射[3]。熱傳導(dǎo)是在有接觸的兩個物體之間或者同一個物體內(nèi)部，熱量由溫度高的部分向溫度低的部分傳遞，傳遞的能力取決于物體熱阻的大小；熱對流是指固體和周圍的流體之間由于溫度差而形成的熱的傳遞，包括自然對流和強制對流兩種，熱對流的能力取決于物體和流體之間的對流換熱系數(shù)[4-6]。在自然對流條件下，空氣的對流換熱系數(shù)較低，但考慮到在運載火箭內(nèi)只存在自然對流的散熱條件，因此本文對散熱器的設(shè)計是建立在空氣的自然對流條件下，通過理論的計算對散熱器做出了指導(dǎo)性的設(shè)計。

功率驅(qū)動器件的最大結(jié)溫是器件可正常工作的溫度的上限。一旦器件的實際結(jié)溫超過最大結(jié)溫要求，將會直接損壞該器件[7]。功率驅(qū)動器件工作時的熱量通過內(nèi)部導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)至器件外殼，外殼和散熱器連接，散熱器通過熱對流將熱量散發(fā)至空氣中。傳熱模型如圖1所示。

圖1 熱傳導(dǎo)模型Fig.1 Heat conduction model

1.1.1 功率器件損耗

功率器件的熱量主要由器件的工作損耗產(chǎn)生。工作損耗主要包括通態(tài)損耗、開關(guān)損耗兩類。

(1)通態(tài)損耗

通態(tài)損耗的定義為當(dāng)功率管導(dǎo)通時，通過集電極和發(fā)射極的電流在功率管內(nèi)阻上所產(chǎn)生的損耗。

P=2IsVCE

(1)

其中，P為通態(tài)損耗(W)，Is為流經(jīng)電流(A)，VCE為集電極-發(fā)射極飽和電壓(V)。

(2)開關(guān)損耗

其定義為開通和關(guān)斷瞬間的器件損耗

(2)

其中，Pturn_on/off為開關(guān)損耗(W)，Is為流經(jīng)電流(A)，Vds為電源電壓(V)。從式(2)可看出，開關(guān)損耗正比于功率器件的開關(guān)頻率。

開關(guān)損耗非線性正比于開關(guān)頻率，本文旨在根據(jù)功率器件的發(fā)熱量設(shè)計散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。為方便實際建模和試驗驗證，將PWM占空比設(shè)置為1，即無開關(guān)損耗。可認(rèn)為功率器件熱量等于器件的通態(tài)損耗，故器件的實際熱量為通態(tài)損耗。

1.1.2 散熱器溫度

由于散熱器和功率器件的外殼相連接，可近似認(rèn)為兩者接觸部分的溫度相同。一般器件的使用手冊會提供該器件的結(jié)溫范圍，以及熱源傳導(dǎo)至外殼的熱阻。通過控制器件的殼溫即可得到器件的結(jié)溫，兩者關(guān)系如下[8]

Ts=Tc=Tj-PRth/2

(3)

其中，P為發(fā)熱源功率(W)，Ts為散熱器溫度(℃)，Tc為器件殼體允許溫度(℃)，Tj為器件最大結(jié)溫(℃)，Rth為器件內(nèi)核至外殼的熱阻(℃/W)。

1.1.3 散熱器尺寸[9]

(1)散熱器包絡(luò)體積

包絡(luò)體積和散熱功率之間的關(guān)系如下

logV=1.4logQ-0.8

(4)

(2)散熱器基板厚度

基板厚度和散熱功率之間的關(guān)系如下

t=7logQ-6

(5)

(3)散熱片肋片表面積

肋片表面積和散熱功率之間的關(guān)系如下

A=Q/(hΔtη)

(6)

(4)散熱片肋片間距

散熱片肋片間距一般為4mm～5mm。

(5)熱平衡

當(dāng)功率器件熱損耗和散熱器散熱存在熱平衡時，存在如下關(guān)系

Psc=Q

(7)

其中，Q為熱量(W),V為包絡(luò)體積(cm3)，t為基板厚度(mm)，h為對流換熱系數(shù)(W/m2·℃)，A為散熱器表面積(m2)，Δt為散熱器溫度(℃)和空氣溫度(℃)的差值，η為散熱器效率。

1.2 散熱器尺寸的計算與設(shè)計

本項目的伺服驅(qū)動器采用的是智能集成驅(qū)動芯片(IPM)PS21A7A，從芯片手冊可查得該器件集電極-發(fā)射極的飽和電壓1.10V，器件內(nèi)核至外殼的熱阻為0.77℃/W，最大結(jié)溫為150℃，額定功率為162W，額定電流為75A(實際降額使用為45A)。將以上數(shù)據(jù)分別代入公式(1)、(3)，可得功率器件的熱量為98W，散熱器的溫度為112℃。考慮到公式的近似計算誤差、設(shè)計余量及用戶的使用體驗，散熱器的溫度設(shè)定為60℃。

查工具手冊可知，在25℃環(huán)境溫度下空氣對流換熱系數(shù)為15W/m2·℃，散熱器表面允許溫度為60℃(即Δt為35℃)，散熱器的效率η為0.95。

將以上數(shù)據(jù)代入式(4)、(5)、(6)、(7)中，解算可得：V=98cm3、t=8mm、A=0.1965m2。

根據(jù)上述尺寸解算和本項目對伺服驅(qū)動器尺寸的要求，本項目伺服驅(qū)動器的具體尺寸為：a=2mm，b=4mm，c=20mm，d=180mm，e=8mm，f=180mm，g=180mm。其中：a為肋片厚度，b為肋片間距，c為肋片高度，d為肋片長度，e為基板厚度，f為基板長度，g為基板寬度。三維模型如圖2所示。

圖2 散熱器三維模型Fig.2 Three dimensional model of radiator

散熱器的材料應(yīng)選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)高的金屬材料，一般采用鋁合金。本項目采用的鋁合金材料為6063-O，導(dǎo)熱率系數(shù)為218W·(m·K)-1。

2 仿真分析

可將建立的三維模型直接導(dǎo)入熱仿真軟件，利用熱仿真軟件自身的網(wǎng)格工具對建立的模型進行網(wǎng)格處理。熱仿真軟件可提供三種網(wǎng)格類型，包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和Mesher-HD網(wǎng)格。由于肋片式散熱器的結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，因此本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對以上三維模型進行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)和節(jié)點數(shù)分別是88544和94253。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 散熱器網(wǎng)格劃分Fig.3 Radiator mesh division

在自然對流的環(huán)境下，對散熱器進行熱仿真，對仿真參數(shù)做出如下設(shè)置：

(1)為模擬自然對流環(huán)境，計算空間cabinet應(yīng)至少是仿真對象的2倍。邊界設(shè)為opening，空氣對流換熱系數(shù)設(shè)置為15W/m2·℃；

(2)添加平面熱源，功耗為98W；

(3)環(huán)境溫度設(shè)置為25℃；

(4)軟件傳導(dǎo)選項中勾選熱對流。

進行熱仿真之后，溫度分布圖如圖4所示。

圖4 散熱器熱分析求解結(jié)果Fig.4 Heat analysis results of radiator

仿真圖中散熱器上不同的顏色代表不同的溫度，從仿真結(jié)果可以看出，散熱器最高溫度點在散熱器與IPM外殼接觸的位置(59℃)，與理論計算的結(jié)果基本一致。

3 試驗測試

仿真結(jié)果對理論計算的正確性僅具有一定的參考意義，為進一步驗證真實的散熱效果，搭建了硬件試驗平臺，試驗平臺如圖5所示。

圖5 伺服驅(qū)動器熱試驗平臺Fig.5 Servo driver thermal test platform

試驗平臺使用了一塊功率驅(qū)動板，驅(qū)動芯片為智能驅(qū)動芯片PS21A7A；兩臺直流穩(wěn)壓電源，一臺供驅(qū)動器控制電使用，另一臺供驅(qū)動器驅(qū)動電使用，驅(qū)動電流可調(diào)；4個8Ω功率電阻并聯(lián)，實際功率電阻2Ω；一支熱電偶，用于測量不同輸入電流下功率器件的溫度。

在測試過程中，熱電偶需穿過散熱器，直至觸及功率驅(qū)動芯片的底部，用來記錄芯片殼體與散熱器接觸部分的溫度。為能更準(zhǔn)確地測量出芯片的最高溫度，接觸點選擇在驅(qū)動芯片的中心位置。為確保熱電偶與接觸位置之間具有良好的熱接觸，在殼體和散熱器表面之間需涂上散熱硅脂，并施加適當(dāng)?shù)膴A模壓力。

實際測量溫度結(jié)果如表1所示。

表1 試驗測試數(shù)據(jù)

從表中的試驗測試結(jié)果可以看出，功率器件通入45A電流并持續(xù)6min，功率器件達(dá)到熱平衡狀態(tài)，最終溫度為56.3℃。實際試驗測試溫度較理論計算設(shè)計值低，這是由于設(shè)計的散熱器實際散熱面積略大于計算的面積值，導(dǎo)致散熱器的實測溫度較低。因此，試驗結(jié)果與仿真及理論計算基本一致。

4 結(jié) 論

本文利用理論計算對一種運載火箭用大功率伺服驅(qū)動器進行了散熱設(shè)計，通過熱仿真結(jié)果和熱試驗實測數(shù)據(jù)驗證了該設(shè)計的正確性，可以為航天大功率伺服驅(qū)動器的散熱器的設(shè)計提供一種新思路。散熱器的材料、基板厚度、肋片厚度、肋片間距及肋片的形狀對散熱性能均有影響，但本文僅選擇了滿足理論計算結(jié)果的一種數(shù)據(jù)，尚未對散熱器做進一步的優(yōu)化，后續(xù)將通過改變散熱器的各項參數(shù)繼續(xù)對散熱器做出優(yōu)化設(shè)計。