功率放大器的熱設計研究

胡廣華，錢興成，汪 宇

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

熱失效是電子設備的主要失效形式之一，據統計，電子設備的失效有55%是溫度超過規定值引起的，隨著溫度的增加，電子設備的失效率呈指數增長。所以，功率器件熱設計是電子設備結構設計中不可忽略的一個環節，良好的熱設計是保證設備可靠運行的基礎。

本文以Ku波段功率放大器為例，介紹了功率放大器熱設計的方法和流程，對功率放大器進行了詳細的熱設計與分析。功放模塊熱分布及布局如圖1所示。

2 功率放大器概述

2.1 功率放大器相關信息

本功率放大器的脈沖輸出功率典型值為18W，它采用一只高增益功率單片放大器和二級微波功率管級連構成。功率放大器工作方式為漏極調制，其內部大功率器件分布如圖1所示。其中，器件Q1為高增益功率單片放大器，器件 Q2、Q3為內匹配功率管。

圖1 功放模塊熱分布及布局

2.2 大功率器件的散熱方法

本功率放大器中主要的大功率器件有GaAs功率管Q1、 Q2、Q3，它們通過擴熱板的方式安裝在功率放大器殼體上，其傳熱方式主要為接觸傳熱。根據接觸傳熱公式：

式中：

QC為接觸傳熱的熱流（W）；

AC為接觸傳熱面積（m2）；

hC為接觸傳熱系數（w/m2℃）；

T1為接觸表面1的溫度（℃）；

T2為接觸表面2的溫度（℃）。

由公式可知，在器件熱功耗QC一定的情況下，若要降低其溫度T1，應擴大安裝接觸面積AC，提高接觸傳熱系數hC。

接觸傳熱公式也可寫成如下形式：

式中RC為 接觸熱阻，

因此，元器件Q1的底部與銅擴熱板燒結，擴熱板通過螺釘安裝在功放殼底，銅擴熱板底部鍍金；元器件Q2和Q3通過螺釘直接安裝在功放鋁殼上，器件底部鍍金。

考慮到導熱導電性能，功率放大器殼體采用硬鋁材料，同時表面黑色陽極化處理，增大表面發射率，提高輻射交換系數。

3 利用軟件ANSYS 熱仿真設計

利用ANSYS軟件進行穩態熱分析，得到功放模塊發熱器件下表面的結構表面溫度分布，如圖2所示。

由圖2可以看出，功率放大器結構的最大熱分布區域集中在Q3器件所在的位置，其熱耗也最大，最大溫度62.3℃，隨著器件Q1、Q2熱耗值的增加，結構相應位置的熱分布也隨之增加。

4 功率器件結溫的理論計算與分析

由功放熱仿真結果圖2得出器件Q1、Q2、Q3的下表面殼體溫度，在結構底板表面溫度已知的前提下，計算器件結溫的過程如下：

根據文獻[3]中所給出的典型表面接觸熱阻實例，真空下條件，銅與銅的接觸壓力在7×105Pa～70×105Pa之間，表面粗糙度在0.25μm時，絕緣系數約為0.88×10-4m2·K/W。因為托板與功率器件表面均鍍厚金，實際使用的粗糙度可以看做是接近0.25μm。

大功率器件Q2，熱耗=（24W+2W（射頻輸入功率）-8W）×6.5%（脈沖功放占空比）＝1.17W，結殼熱阻2.8℃/W，允許的最高降額結溫100℃（Ⅰ級降額，引用GJB35-93）；

器件與殼體間壓力計算如下：

器件使用M2螺釘，螺釘的標準力矩為40N·cm，將平行于器件方向的分力忽略，作用在垂直于器件方向的作用力F約為：

作用在器件上的平均壓力為：

P=n·F/S（n為器件安裝螺釘數，S為與器件殼體接觸面積）

由式（3）得器件Q2與殼體的接觸熱阻RC：

由式（1）得器件殼體溫度到部件殼體的溫差ΔT：

由圖2知，器件Q2下表面殼體溫度為61.89℃，所以器件Q2的結溫Tch：

采用類似方法計算出器件Q1、Q3的結溫。

5 熱平衡試驗驗證

我們將熱耦分別安裝在器件Q1、Q2、Q3的殼體表面，測出功率放大器穩定工作時器件的殼溫，經過計算得出被測器件的結溫。試驗結果與設計值對比如表1所示。

表1 試驗與設計值對比

6 結論

本功率放大器通過將熱功耗大的元器件直接安裝在殼體上或底部加銅擴熱板增加散熱面積，器件和擴熱板安裝接觸面鍍金增加接觸導熱系數以及增加印制板鋪銅厚度和鋪銅面積、增加金屬過孔等熱控措施改善散熱。

經過熱設計、模擬仿真和試驗驗證，功率放大器滿足Ⅰ級降額，滿足熱設計要求。

[1] 楊保華.航天電子產品可靠性設計[M]. 2005. 1-18，1-12.

[2] GJB／Z35—93.元器件降額準則[S]. 1993. 52.

[3] 何知朱.新型熱控材料器件及應用[M].北京：宇航出版社，1988. 129.

[4] 汪宇，吳禮群，吳剛，等.星用固態脈沖功率放大器的熱設計研究[J].固體電子學研究與進展，2011,31（6）：574-576.

[5] GJB/Z27-92.電子產品可靠性熱設計手冊[S].