一種室外功放的熱設(shè)計(jì)及仿真

石金彥

摘 要：本文根據(jù)某室外功放的設(shè)計(jì)輸入，開(kāi)展了固態(tài)功率管的熱設(shè)計(jì)技術(shù)研究，提出了風(fēng)冷散熱和水冷散熱技術(shù)手段，并通過(guò)熱仿真分析，給出兩種散熱手段所達(dá)到的散熱效果，最后，總結(jié)了工程設(shè)計(jì)時(shí)要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：固態(tài)功率管；強(qiáng)迫風(fēng)冷；液冷；熱設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN830.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）08-0018-03

Thermal Design and Simulation of an Outdoor Power Amplifier

SHI JinYan

（The 27th Research Institute of CETC，Zhengzhou Henan 450047）

Abstract： The technology of thermal design used in solid-state power device was studied， forced air cooling and liquid cooling were introduced for the power amplifier by its design input， the different peak temperature of the solid-state power device was obtained by thermal simulation in this paper， finally， the key points in the process of engineering design were discussed.

Keywords： solid-state power device；air cooling；liquid cooling；thermal design

1 研究背景

室外電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在很大程度上主要是解決密封和散熱之間的矛盾。一些固態(tài)功率管等高功率、小體積之類(lèi)的功率器件常有上百瓦的熱耗，而底座僅為1～2cm2的散熱面積，熱流密度相當(dāng)高。因此，與固態(tài)功率管相關(guān)的電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)也越來(lái)越引起行業(yè)內(nèi)工程師的重視。

某一體化功放設(shè)備，其核心部件是功放微帶板。功放微帶板上，分布了兩個(gè)固態(tài)功率管和合成電路等，單個(gè)功率管的熱耗為130W，微帶板長(zhǎng)325mm，寬185mm。功放微帶板及輸入輸出，集成為功放模塊。功放模塊總發(fā)熱量為320W，發(fā)熱部件組成有：功率管（260W）、驅(qū)動(dòng)器件（10W）、前端合成電路（20W）和后端合成電路（30W）。功放微帶板熱耗分布見(jiàn)圖1。其中，功率管搭焊在微帶板上，底座凸出于微帶板，與底部散熱機(jī)殼通過(guò)螺釘壓接，緊密接觸，以便熱量傳導(dǎo)散出。

設(shè)備電源（熱耗為60W）為單一獨(dú)立結(jié)構(gòu)，其獨(dú)立于功放模塊。考慮室外環(huán)境等因素，電源和功放模塊集成為一體化設(shè)備。經(jīng)過(guò)集成后的一體化功放設(shè)備，組陣分布于室外。功放設(shè)備數(shù)量多，距離近，但互相獨(dú)立。

2 功率器件散熱途徑分析

功放設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)以功率管的散熱設(shè)計(jì)為前提。通常情況下，功率管固定在面積是管殼法蘭面積數(shù)10倍的表面加工精度較高的鋁合金或銅基礎(chǔ)板上，再由此基礎(chǔ)板將熱能傳導(dǎo)至散熱器，由散熱器將熱能傳導(dǎo)至熱沉。提高功率器件的散熱效率，其實(shí)是減小在各個(gè)熱傳遞表面之間的熱阻。

根據(jù)王健[1]和劉紅兵[2]的研究可知，功率管的傳熱通道主要包括管芯到管殼的內(nèi)熱阻、管殼到最終熱沉的外熱阻。其中，內(nèi)熱阻是在管芯封裝過(guò)程中產(chǎn)生的，無(wú)法改變，因此，降低內(nèi)熱阻通常是功率管設(shè)計(jì)者較為關(guān)心的問(wèn)題。呂洪濤[3]和王彥海[4]的研究對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。

而在實(shí)際應(yīng)用中，功率管的冷卻設(shè)計(jì)主要是針對(duì)外熱阻進(jìn)行的，這是冷卻工程師較為關(guān)心的問(wèn)題。該功放整機(jī)中，功放微帶板上使用的固態(tài)功率管熱耗較大。考慮到功率管首先必定被安裝在基板上，再通過(guò)基板將熱能引到散熱器上，根據(jù)功率管本身的特性曲線分析，外界環(huán)境溫度為-40℃～+55℃。通過(guò)散熱措施，管殼溫度被控制在85℃以下時(shí)，可確保功率管的正常工作。

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，可初步考慮采用圖2所示的熱交換形式。該功率管的傳熱途徑包括管殼與基板的接觸熱阻、基板的導(dǎo)熱熱阻、基板與散熱器的接觸熱阻、散熱器的導(dǎo)熱熱阻和散熱器翅片與空氣的對(duì)流換熱熱阻等。要降低功率管的殼溫，就需要減小其傳熱途徑上的各種熱阻。減小接觸熱阻的方法主要有提高功率管和接觸面的平面度，增加壓緊力，添加導(dǎo)熱硅脂或?qū)嵋r墊等。

除風(fēng)冷散熱，還可以考慮以水冷板的形式進(jìn)行末級(jí)熱交換。其原理見(jiàn)圖3。水具有較高的比熱容，水冷散熱效果也優(yōu)于風(fēng)冷散熱效果。下文對(duì)兩種散熱方式進(jìn)行具體分析。

3 風(fēng)冷式功放結(jié)構(gòu)及熱仿真

根據(jù)一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思想，采用風(fēng)冷方式散熱的功放設(shè)備外形見(jiàn)圖4所示。

采用翅片散熱器結(jié)構(gòu)形式，兩側(cè)分別固定功放模塊和電源模塊。電源發(fā)熱器件安裝面與翅片散熱器表面緊貼。功放模塊設(shè)計(jì)為密閉結(jié)構(gòu)，功率管安裝在銅基板上，銅基板通過(guò)鑲嵌的方式固定在功放模塊機(jī)殼上，并在功放模塊機(jī)殼成形工藝中的最后一道工序中，一次加工底部安裝面，以確保銅基板、合成電路搭接的底板與翅片散熱器表面接觸良好。最終通過(guò)風(fēng)冷風(fēng)機(jī)排風(fēng)帶走功放的熱能。

根據(jù)前文所述的輸入條件，參考相關(guān)品牌風(fēng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置排風(fēng)量。翅片厚度2mm，間隙5mm。翅片散熱器兩側(cè)的安裝平面厚度為6mm。功率器件和電路安裝基板到散熱器，各個(gè)不同材料的表面設(shè)置相應(yīng)的熱傳導(dǎo)系數(shù)。建立如圖5所示的分析模型。電源模塊固定在齒片散熱器的另外一側(cè)。分析目標(biāo)主要為：在環(huán)境溫度為55℃時(shí)，分析功率管機(jī)殼熱平衡狀態(tài)下的最高溫度值。仿真用的工具為Icepak。

仿真結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。由圖6可知，功放管外殼底座達(dá)到熱平衡的溫度為80.4℃，是整個(gè)功放模塊內(nèi)部殼體的最高溫度。圖中給出了齒片散熱器沿功放管器件縱截面的溫度分布云圖及風(fēng)流矢量方向圖。由計(jì)算結(jié)論可知，功放模塊內(nèi)的發(fā)熱器件，采用與齒片散熱器底板直接壓接的方式，擴(kuò)大了吸熱程度和對(duì)外導(dǎo)熱的接觸面積，在風(fēng)機(jī)的作用下，熱傳導(dǎo)效果良好。

圖7是電源模塊安裝面的溫度分布云圖。

4 水冷式功放結(jié)構(gòu)及熱仿真

除風(fēng)冷式結(jié)構(gòu)外，還可采用水冷板散熱。功放模塊直接壓接在水冷板上，功放管及發(fā)熱合成電路基板表面與水冷板表面緊密壓接。水冷板與基板的接觸面表面光潔度和平面度較好，以確保其導(dǎo)熱平面熱阻最小，從而使散熱效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

水冷板有進(jìn)水口和出水口，冷板內(nèi)有液體流通管路，通過(guò)熱傳導(dǎo)及液體循環(huán)帶走功放模塊產(chǎn)生的熱能。水冷單機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

其中，水冷板厚度為20mm，中間設(shè)置為S形水路，水路直徑為12mm。入水口和出水口采用T形螺紋合金接頭和柔性軟管連接。入水口流量設(shè)置為0.1L/s。功率器件和電路安裝基板到散熱器，各個(gè)不同材料的表面設(shè)置相應(yīng)的熱傳導(dǎo)系數(shù)。結(jié)合前文輸入條件，建立如圖9所示的分析模型。

入水的水溫設(shè)置為60℃。這是因?yàn)椋绻豢紤]制冷設(shè)備，而將水源集中在外界進(jìn)行風(fēng)冷式熱交換。通常情況下，水溫經(jīng)過(guò)有效散熱后，要比環(huán)境溫度高出5～10℃。分析結(jié)果見(jiàn)圖10。功放管殼的溫度最高為74.2℃。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某室外功放設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不改變結(jié)構(gòu)形式的前提下，研究了風(fēng)冷和水冷兩種散熱方式，并通過(guò)熱仿真分析，給出了散熱效果。針對(duì)單臺(tái)功放設(shè)備，無(wú)論采用風(fēng)冷，還是采用水冷散熱，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可知，均滿足工程需求。

對(duì)于單機(jī)熱設(shè)計(jì)，需要盡可能降低從發(fā)熱器件到末端散熱器中間所有銜接界面的熱阻。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化影響散熱效果的多個(gè)參數(shù)。

在滿足單機(jī)環(huán)境使用條件的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)功放設(shè)備組陣則需要綜合考慮風(fēng)冷和水冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)，以選取合適的散熱手段。例如，風(fēng)冷功放設(shè)備存在噪聲大的缺點(diǎn)，但不需要其他的輔助支撐設(shè)備。而采用水冷方式進(jìn)行散熱，散熱效果好，現(xiàn)場(chǎng)安靜，但需要驅(qū)動(dòng)泵、水路、外界熱交換器及風(fēng)機(jī)，甚至需要智能監(jiān)控單元。

參考文獻(xiàn)：

[1]王健.大功率固態(tài)功率管熱設(shè)計(jì)優(yōu)化及驗(yàn)證[J].電子機(jī)械工程，2012（4）：15-18.

[2]劉紅兵，許洋.微波功率晶體管的熱失效分析[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008（9）：807-809.

[3]呂洪濤.某固態(tài)發(fā)射模塊冷板的設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].電子機(jī)械工程，2012（4）：18-21.

[4]王彥海，張世偉，徐巖峰.Icepak仿真軟件在水冷底板熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程.2012（1）：27-30.