高比功率微小卫星电源控制器结构设计

解晓龙 何明珠

（中国电子科技集团公司第十八研究所 天津市 300384）

近年来，随着我国商业航天事业的蓬勃发展，低轨微小卫星得到了广泛的应用，电源分系统作为卫星的“心脏”，为卫星平台和载荷提供能源，电源控制器作为电源分系统中重要的单机，起到能量管理、变换和分配的功能。比功率作为电源控制器的重要性能指标，是指整机功率与整机重量的比值，在整机功率不变的前提下，电源控制器的轻量化设计能够提升比功率，有效的降低发射成本，符合商业航天领域低成本的需求。本文结合高比功率微小卫星电源控制器项目的研制，在满足可靠性要求的前提下，应用镁铝合金作为电源控制器的主体结构材料，通过结构优化设计，并利用软件仿真分析和环境试验验证其工程实用性，为高比功率微小卫星电源控制器的结构设计提供参考。

1 电源控制器结构材料的选取

为有效降低卫星的发射成本，密度小的轻金属是目前航天领域主要采用的卫星结构主体金属材料。其中铝合金密度低，具有较高的比强度和比模量，工艺性能良好，具有良好的导热性和导电性，且价格低廉，是卫星电源控制器主体结构应用最为广泛的材料。相较于铝合金，镁铝合金是目前轻金属材料中密度最小的材料，其密度更小，比强度和比模量均比较高，减振性能好，可承受较大的冲击载荷，同时具有良好的导热性和导电性[1]。

铝合金和镁铝合金物理性能对比见表1。

由表1 中数据可知，镁铝合金材料的密度约为铝合金的2/3，可大大减轻电源控制器结构主体重量，有效提高电源控制器比功率，且其实际的刚度性能指数一般高于铝合金。虽然镁铝合金抗拉强度、延伸率及热导率低于铝合金，但可通过电源控制器主体结构的优化设计、合理布局和发热量大的元器件的布置，满足整机抗力学环境及热设计，具备一定的设计裕度，满足工程应用要求。

表1：铝合金和镁铝合金物理性能对比

图5：Y 向应力响应云图

本电源控制器结构选取镁铝合金作为主体材料。

2 结构设计

电源控制器结构设计需在给定的各类载荷条件下通过选择构型，确定印制板的结构尺寸、印制板上元器件布局、印制板的边缘固定，调整电路板组件的安放位置以及通过改变结构阻尼等一系列措施达到满足设备的强度和刚度的要求，并改善元器件的力学环境条件，保证电源控制器能正常工作。在设计中应对产品结构分级进行分析，除对整机结构进行分析外，还需对电路板内部组件进行模态和动力响应分析，电路板上的元器件是电源控制器的关键部分，其性能直接影响整机的性能。另外，也需对产品热环境进行分析，具体分析元器件的温度满足降额设计。

本项目电源控制器结构由4 类共6 个模块组成，按功能分为分流模块、充放电模块、滤波模块以及配电模块，均采用镁铝合金材料作为主体材料，总体结构重量相较铝合金结构减重1kg。根据各功能模块内部元器件种类及PCB 板的布置，综合考虑力、热和工艺性等设计要求，合理布局，优化整机外形尺寸及单模块壁厚，以减轻重量，提高机箱整体的结构强度与刚度，保证单机的热特性。

采用镁铝合金优化设计后的电源控制器三维结构外形图如图1所示。

图1：电源控制器三维结构外形图

3 结构抗力学环境仿真分析

电源控制器结构抗力学环境设计中的设计校核主要有两部分工作，分别为强度校核和刚度校核。其中，结构强度主要是指结构抵抗破坏或者塑性变形的能力，强度分析主要包括电源控制器的结构在随机振动载荷条件下的应力分析，使其应力安全裕度大于零。安全裕度是表示结构部件强度的剩余系数，其计算方法如下所示：

表 3：高温工况整机主要功率元器件温度

其中：MS——安全裕度；

fs——安全系数，一般取为1.35；

σf——许用破坏应力，MPa，脆性材料取强度极限σb，其它材料取弹性极限 σ0.2；

σmax——计算应力，在各种载荷作用下计算得到结构上最大应力值，MPa，在各种载荷（各种振动，最大准静态载荷）作用下计算得到结构上的最大应力值。

结构刚度在静态时是指结构抵抗变形的能力，在动态时指结构的固有频率高低，结构需具备足够的刚度，以便在经受环境载荷作用下不回产生超额的弹、塑变形，并具有足够高的结构固有频率，不致产生动力耦合现象和过大的动力响应载荷。一般情况下，往往用固有频率值作为刚度的设计要求，设计应确保结构基频大于规定的值，按要求电源控制器结构基频应大于100Hz。

本项目中，利用CATIA 软件对应用镁铝合金材料的结构三维实体进行建模，并进行仿真分析前的模型简化。后将简化后的模型转换格式，导入ANSYS WORKBENCH 软件中进行有限元分析，通过模型预处理、网格划分等设置，在给定的抗力学环境输入条件下进行模态分析及随机响应分析[2]计算，以进行电源控制器结构的刚度和强度校核，为结构的整体设计提供理论依据。

利用ANSYS WORKBENCH 软件中特定功能模块在给定的输入条件下分别对简化的电源控制器模型进行模态分析和随机响应分析。

3.1 模态分析

利用Modal 模块对前处理后的模型进行分析，结果如下：

电源控制器结构基频为221.63Hz，大于100Hz，其频率特性满足总体对电源控制器提出的设计要求。其第一阶模态振型和第二阶模态振型如图2 和图3所示。

图2：结构第一阶模态振型

图3：结构第二阶模态振型

3.2 随机振动分析

利用Response Vibration 模块对电源控制器结构进行随机振动响应分析，以进行强度校核，给定的随机振动输入条件如表2所示。

表2：随机振动条件

随机响应分析可以得出结构在X、Y、Z 三方向输入条件下的应力响应，如图4-图6所示，选取安全系数f=1.35，计算可得各方向安全裕度Ms>0，满足强度要求，可以在星上安全可靠的使用。

图4：X 向应力响应云图

图6：Z 向应力响应云图

通过以上抗力学环境分析仿真分析可知，在卫星总体给定的输入条件下，采用铝镁合金的电源控制器结构刚度和强度符合设计要求，满足星上使用要求。

4 结构热分析

结合电源控制器所处舱内热环境和本身的结构布局，合理组织元器件散热通道以及整机的散热途径，使元器件温度（结温）满足国军标规定的I 级降额温度指标要求。

利用I-DEAS 软件对结构实体进行建模及模型简化进行有限元分析，依据以下条件进行热分析。

（1）边界条件：为了计算高温工况下电源控制器内部各个元器件的温度，将舱板设为定温边界50℃。

（2）热耦合条件：根据元器件的安装方式计算元器件与安装板之间的热阻 ，将其作为元器件与安装板的热阻耦合值。

在高温工况下计算出电源控制器整机温度分布如图7所示。

图7：高温工况整机温度分布

高温工况下各主要功率元器件的温度如表3所示。

通过表3 分析可知，采用镁铝合金材料的电源控制器结构热设计合理，在设定的边界条件下各元器件均工作在正常温度范围内，温度指标满足降额设计要求。

5 环境试验

结合仿真分析的结果，对本项目电源控制器依照总体提供的试验大纲进行验收级力、热环境试验验证，如图8所示。试验过程中电性能稳定正常，结构完整性良好，温度在要求范围内，均满足设计要求，证明采用镁铝合金材料的电源控制器结构设计满足工程应用要求。

图8：环境试验

6 结论

采用镁铝合金作为主体材料的电源控制器结构，通过结构优化设计结构重量相较铝合金主体材料减重1kg，在整机功率不变的情况下，比功率提高约40W/kg，且通过仿真分析及环境试验验证，合理可行，可以直接面向商业航天空间工程进行应用。