实践证明，部分宇航电子设备对温度幅值及温度变化十分敏感。目前，宇航电子设备热控制多采用被动方式，即通过热传导方式将热量传至卫星舱板，然后再通过舱板内预埋热管将能量转移，此种热控方式常常难以提供合适的温度幅值及良好的控制精度，使宇航电子设备难以发挥其优良性能。因此，需要设计一种强散热、高精度的主动热控制方法。半导体制冷器具有体积小、结构简单、无活动部件和无噪声等优点被广泛应用在很多领域。在航天领域，半导体冷器应用于环路热管的储液器温度控制[1];在电子产品行业，采用热电制冷器对器件进行制冷，解决散热问题[2]。在此背景下，本文将半导体制冷器应用于宇航电子设备主动热控制。
1半导体制冷器
半导体制冷其实质是帕尔贴效应、塞贝克效应、汤姆逊效应、傅立叶效应以及焦耳效应的综合作用[3]，其中帕尔贴效应为主导因素。帕尔贴效应，即电流通过不同导体的界面时，表现出来的吸热或放热效应。通常半导体制冷器采用若干组P-N热电偶对通过导电片串联，然后将这些热电偶对嵌在两块基板之间[4]，如图1所示。基板材料可选用绝缘材料(陶瓷)，也可以选用金属材料(铝、紫铜)，基板选用金属材料时导电片与基板之间进行绝缘处理。半导体制冷器属于电流换能型元件，可通过改变输入电流，进行温度调节，若辅以温度检测与控制技术，便可形成闭环控制系统，进而实现温度的高精度控制。
2热控结构设计
合理的热控结构设计，对降低系统综合热阻、优化系统工作效率、提高系统控制精度具有重要作用。热控结构如图2所示，设计重点主要包括以下几个方面：2.1热沉结构设计热沉是宇航电子设备和半导体制冷器的支撑部件。它不仅要承受电子设备振动时产生的作用力，而且要将制冷器热端热流均匀扩散并传至舱板，需采用承载能力和散热能力比较均衡的材料，综合考虑宇航产品材料优选目录，可选用铝合金;宇航产品通常严格限制重量，故而针对热沉进行减重设计;热沉是系统的最终散热通道，应保证其与舱板之间具有良好的接触，需严格限制其安装底面平面度。2.2制冷器基板材料选择基板可选用绝缘材料或金属材料。为避免热量集中，影响制冷器的使用效果，基板材料应具有较大的导热系数;此外考虑到制冷器与热沉之间的界面热阻，尽量采用具有焊接性能的基板材料，以便于制冷器直接焊接在热沉上。综上，基板采用金属材料。2.3界面热阻优化1)制冷器与热沉接触热阻：制冷器基板选择可焊接材料，将制冷器直接焊接在热沉上，可最大限度地降低接触热阻。2)设备与制冷器接触热阻：制冷器高度尺寸存在较大公差，设备与制冷器、热沉同时接触很难实现;另外固体表面存在微观凸点，有效接触面积有限，接触压力较小时，表现出很大的界面热阻。为解决以上问题，将设备与制冷器之间设计一定的间隙，间隙之间填充导热填隙材料。3)设备与热沉之间接触热阻：电子设备通过螺钉安装在热沉上，为避免两者接触界面热交换对系统控制的干扰，设备与热沉之间安装绝热垫，进行绝热处理。4)热沉与舱板之间接触热阻：热沉通过螺钉固定在舱板上，安装面涂一定厚度的导热脂，可以极大地降低接触热阻。2.4热端散热热端热流量等于设备热耗与制冷器输入功率之和，这部分热量通过热沉传至星体舱板，为了使这部分热量迅速导入整星热控系统，热沉安装区域需预埋热管。
3控制系统及工作原理
前人基于半导体制冷器设计的主动热控制系统，多采用单片机作为核心控制器，取得了良好的效果。宇航电子产品通常采用FPGA进行逻辑控制，为了实现硬件资源的合理配置，本文设计一种基于FPGA的主动热控制系统。控制系统架构如图3所示，主要包括遥控遥测系统、FPGA系统、数字式温度传感器、功率驱动模块、半导体制冷器等。其工作原理为：以FPGA系统作为逻辑控制中心，接收温度传感器采集的温度信号，经过FPGA系统内部模糊PID控制算法处理，FPGA系统输出一定占空比的PWM(脉冲宽度调制)控制信号，经功率驱动模块的D/A转换和功率放大，最终驱动半导体制冷器进行温度控制。其中目标温度可通过地面设备进行遥控设定，温度传感器反馈的温度信号可通过地面设备进行遥测显示。
4结语
基于半导体制冷器的主动热控制方法，与传统流体热控方法相比，具有系统结构简单、控制精度高、响应速度快、故障率低、易于维护等优点，在宇航电子设备主动热控制方面具有良好的应用前景。
参考文献
[1]裴念强，郭开华，刘杰.半导体制冷在新型环路热管的应用计算[J].低温物理学报，2007(1)：42-45.
[2]张建成.半导体制冷的热管式散热器传热研究[J].东南大学学报(自然科学版)，2000(5)：38-41.
[3]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海：上海交通大学出版社，1999.
[4]胡浩茫，葛天舒，代彦军，等.热电制冷技术最新进展:从材料到应用[J].制冷技术，2016，36(5)：42-52.
《电子设备主动热控制方法》来源：《现代工业经济和信息化》，作者：曹旭民 王盛 张茂 陈婕 李晟昊
