某固態微波爐功放模塊散熱優化設計

鄧 洋 唐相偉 王 軒

（廣東美的廚房電器制造有限公司 佛山 528311）

引言

微波爐在人們的日常生活中應用非常廣泛，常用來加熱烹飪或是翻熱食材，常規的微波爐一般是利用變壓器提供高壓給磁控管，磁控管產生微波來加熱食物。微波加熱的特點是速度快，但缺點是無法調頻調相，加熱不均勻。為了更好的利用微波來實現均勻的加熱，固態微波爐應運而生，其產生微波的部件由射頻芯片替代了傳統的磁控管，且電源模塊也可取代笨重的高壓變壓器模塊，且具有可調頻調相、體積小、重量輕、工作安靜的優點，勢必會是將來微波爐發展的一個趨勢。由于功放模塊的芯片體積小、功率大，目前功放常用的散熱結構一般是銅板和鋁材散熱器相結合的方式[1]，也有用熱管[2,3]、均溫板[4]等高效傳熱的散熱方式，又或是水冷的散熱方式。因此功放模塊良好的散熱設計是保障其可靠工作的前提，而功放模塊散熱結構的扁平化設計是推動其在微波爐上應用的關鍵。

1 三維模型及實驗測試和仿真模型校準

1.1 三維模型

由于功放芯片的體積很小，熱流密度很大，常采用強制風冷[5]的方式給功放模塊進行散熱。現有的功放模塊如圖1所示，鋁散熱器尺寸：120*80*34 mm，材質6063-T5，功放晶體管最大功耗120 W，其安裝在一塊45*35*5.5 mm厚的紫銅板上，紫銅板嵌入到鋁散熱器中，采用的軸流風扇尺寸80*80*25 mm，最大風量32 CFM，最大風壓41.3 Pa，轉速3 100 rpm。

通過測試功放的溫度場和仿真結果對比，利用實驗測試結果來校準仿真模型參數，使仿真數據和實驗測試數據更接近。仿真模型參數校準后，可為后續的散熱優化提供相對準確的數據參考，可大大提升設計效率，縮短開發周期并降低成本。

1.2 實驗測試和仿真模型校準

為了測試功放的溫度場，使用DC電源提供32 V直流電，并調節電位器使通過功放的電流到達3.75 A，從而使晶體管在無射頻信號的情況下耗散120 W的熱量，采用熱成像儀Flir E40來測試功放溫度場。測試儀器和功放局部實物模型如圖2所示。

當系統達到熱平衡狀態后，使用Flir紅外成像儀對功放模塊進行溫度采樣，重點監測晶體管溫度、晶體管四周溫度，測試結果和仿真結果如圖3所示。

分別對功放上標記點的溫度進行采集，其中點1為晶體管芯片溫度，點2為晶體管左側位置溫度，點3為晶體管右側位置溫度，點4為晶體管下側銅塊溫度，點5為晶體管上側銅塊溫度，點6為鋁散熱器的溫度，通過多次仿真參數的校準，采集的實驗數據和仿真數據如表1所示。

仿真參數模型校準后，通過從實驗測試數據和仿真數據的對比來看，仿真和實驗測試結果吻合較好，溫度點誤差在3 ℃以內，符合要求。另外，從表1數據可以看出，功放晶體管溫度130.3 ℃，距離最高限制溫度150 ℃的余量較小，而鋁散熱器的溫度點6和銅塊其他監測點的溫度差接近40 ℃，溫差較大，說明銅塊的熱量未能很好的傳遞給鋁散熱器，導致散熱效果不佳，散熱模塊仍有優化的空間。因此校準仿真模型后，可利用仿真的方法對功放散熱模塊進行優化設計。

圖1 原功放模塊散熱模型

圖2 測試儀器及功放局部實物模型

圖3 測試結果和仿真結果

表1 實驗測試數據和仿真數據

2 優化設計和實驗測試

2.1 扁平化模型

由于空間的限制，現有的散熱模塊高度太高，無法在桌面爐上使用，因此需對功放模塊進行扁平化設計，重新設計的功放散熱模塊如圖4所示，鋁散熱器尺寸：110*80*20 mm，材質6063-T5，功放晶體管紫銅基板尺寸100*48*5 mm，鼓風機外形尺寸60*60*15 mm，最大風量6.8 CFM，最大風壓42 Pa，轉速4 800 rpm。

2.2 仿真和測試結果

采用三維穩態不可壓縮流動，選擇realizable twoequation湍流模型，環境溫度25 ℃，分別監測功放晶體管上部銅基板點（A），進風端鋁散熱器溫度點（B）和出風端鋁散熱器溫度點（C）的溫度，為了監測不同功耗下功放模塊的溫度情況，分別仿真功耗50 W、80 W、100 W和120 W情況下監測點的溫度狀況，仿真結果如圖5所示。

為了測試不同功耗下功放模塊的溫度情況，通過調節電流強度來對應相應的仿真功耗，并在不同的功耗下維持運行一段時間直至監測的溫度點溫度值穩定，記錄下不同功耗小的溫度測試數據，功放模塊溫度測試如圖6所示。

分別記錄下不同功耗下仿真和實驗測試的監測點A、B、C的溫度數據，以及不同功耗下實驗數據和仿真數據的溫差ΔT，整理的數據如表2所示。

圖4 扁平化功放模塊散熱模型

圖5 仿真溫度場和流場

圖6 實驗測試

表2 仿真溫度點監測數據

通過對比實驗數據和仿真數據發現，監測點的實測數據和仿真數據溫差較小，最大溫差在3 ℃以內，符合要求。且優化后仿真的晶體管溫度比原始方案晶體管的溫度降低了23 ℃左右，測試的銅基板溫度和鋁散熱器的溫差也縮小至10 ℃左右，較原始方案銅基板和鋁散熱器的溫差降低了30 ℃左右，散熱效果改善明顯。

3 結論

通過對某固態微波爐功放散熱模塊研究可得到如下結論：

1）通過對原始功放散熱模塊的測試，進行仿真模型參數的校準，通過校準仿真模型和參數，可使仿真結果和實驗測試結果吻合較好，并可利用仿真的方法進行散熱器優化。

2）通過對功放模塊進行扁平化設計，可降低功放模塊的整體高度可降低50 %以上，扁平化的設計更便于功放模塊在腔體中的安裝。

3）通過仿真優化的功放模塊，在不同功耗情況下的仿真數據和實驗測試數據吻合較好，最大溫差在3 ℃以內，進一步驗證了仿真對優化的指導作用。

4）通過優化設計后的功放模塊，晶體管溫度降低17 %左右，鋁散熱器和銅基板的溫差縮小至10 ℃左右，進一步說明優化后的功放模塊散熱效果更佳。