射頻烹飪器具關鍵組件散熱技術研究

陳宗龍 蔣學松 陳禮康 鄧洋

廣東美的廚房電器制作有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

隨著加熱技術的不斷發展，傳統的烹飪器具已不能滿足高品質烹飪需求；目前市場上的微波爐均采用磁控管產生微波，將其饋入腔體后，對食物進行加熱；然而磁控管具有體積大、電壓高、加熱不均勻等缺點，因此新型的射頻烹飪器具采用固態源作為其能量發生裝置來烹飪食材。而固態源在工作過程中，射頻電路放大部分特別是功率芯片位置會產生大量的熱量，如果這些熱量不能及時散去，會影響芯片的效率和可靠性，導致固態源各項性能指標下降等情況發生，最終影響射頻烹飪器具的烹飪效果[1-4]。

基于雙固態源的射頻加熱系統的散熱設計，其熱耗主要來源于固態源[5]及為其供電的ACDC（交流轉直流）電源，本文提出了一種雙層引流高效散熱措施，即風扇同時對ACDC電源和雙固態源進行散熱，旨在實現更緊湊、更高效的散熱，具體如圖1所示。

圖1 射頻加熱系統散熱示意圖

圖1所示為一種射頻加熱系統散熱示意圖，主要由雙固態源、ACDC電源、風扇及導風罩等部分組成；其結構尺寸為長（450 mm）×寬（280 mm）×高（110 mm），需要耗散的總熱耗功率600 W，ACDC電源100 W，雙固態源500 W。在結構尺寸和總熱耗限制的條件下，影響其散熱的因素可以分為固態源、ACDC電源、風道、風扇、風量配比、出風口、進風口及系統工作環境等部分，現分別對以上各部分進行詳細闡述。

2 射頻加熱系統散熱設計

2.1 固態源散熱設計

射頻加熱系統的大部分熱耗來源于固態源，而固態源的熱耗主要由其內部的射頻放大芯片產生，其功率芯片產生的電磁場能量作為有用功用于烹飪食物外，另外一部分無用功轉換成了熱量。為了有效提高固態源的各項性能指標，目前在解決固態源的散熱設計中，有金屬鋁型材銅材散熱器、熱管、均熱板、水冷、油冷等諸多方案，考慮到結構尺寸、成本、裝配、指標及實現方式等方面，現采用一種基于金屬鋁型材的局部嵌銅方案[6-7]，旨在將第一高熱點的熱量快速傳遞到散熱性能更好的銅基板上。

由于烹飪器具電器室總高度為110 mm，除去電氣安全間隙及導風罩厚度等因素，實際ACDC電源高40 mm，固態源（含散熱器）的高度為60 mm，在不改變固態源整體高度的情況下，通過調整固態源模塊、散熱器尺寸及其安裝方式來實現。

2.1.1 散熱齒高度

圖2 散熱器散熱齒高度對芯片襯底溫升的影響

如圖2所示，鋁型材散熱器尺寸：240 mm×120 mm×44 mm，材質6063-T5，散熱器平板厚度8 mm；隨著散熱齒的高度增加，散熱效果會變好，當散熱齒太短，溫度擴散的面積不夠，需要風量更大，才能導出相同的熱量。圖2a)中散熱齒的高度為36 mm，圖2b)散熱齒的高度為41 mm。當散熱齒的高度增加并超過一定限值時，其熱量的擴散傳不到齒的頂部，所帶來的效果不明顯，同時影響射頻功放板盒體的高度。從仿真數據可以看出，散熱齒高度從36 mm增加到41 mm時，溫度只下降了1.3℃，考慮到固態源（含散熱器）高度為60 mm不做更改，射頻功放板的盒體高度為16 mm，因此還是選擇散熱齒高度為36 mm的散熱器，避免因射頻功放板的盒體高度太低導致自激不穩定的現象發生。

2.1.2 散熱器局部嵌銅

現有部分散熱器平板厚度約為8 mm，因此可以嵌入4 mm厚度的銅塊，如圖3所示。

圖3 散熱器局部嵌銅對襯底溫升的影響

采用局部嵌銅的方案進行散熱，在金屬鋁材料的散熱器中局部嵌入帶有印制板的銅基板組件，射頻功率芯片焊接到銅基板上，射頻其他部分的印制板焊接或粘貼在銅基板上；采用局部嵌入的方案，減少銅塊的面積，降低散熱成本；使用高熱傳導系數的銅材或其他材料，旨在快速將射頻放大芯片的熱量擴散至銅基板上，同時通過銅基板再傳導到帶齒槽的鋁合金材質的散熱器上，有效解決高密度散熱問題，仿真數據如圖3所示，溫度下降3.5℃，同時還保持散熱器高度、射頻功放盒體高度、固態源總高度不變。

2.1.3 散熱齒數目

散熱器齒條數和齒條厚度及齒條間距存在相互關系，在風量和熱耗確定的情況下，齒條數增加，有利于散熱，同樣在確定的使用環境中，它們之間存在一個最佳數值。

圖4 散熱器齒條數目對襯底溫升的影響

由圖4可以看出，散熱器齒條數在一定范圍內增加，可以有效的提高散熱能力；當散熱器齒條數繼續增加，齒條間距縮小，就會增加風阻，不利于散熱。同時結合仿真數據和市場標準型材兩方面因素，選取齒條數為51個的標準型材散熱器，降低固態源散熱器的成本和技術要求。

固態源通過散熱器采用局部嵌銅、調節散熱齒高度和散熱齒數目三種措施，使得雙固態源芯片襯底溫度下降了8.8℃，實測下降了6℃，具有一定的改善效果。

2.2 ACDC電源散熱設計

ACDC電源為固態源提供直流低電壓，常見的ACDC電源自帶散熱風扇，此散熱風扇體積小、轉速快、噪聲高；ACDC電源散熱設計首先考慮要滿足烹飪器具噪聲標準的要求，因此選用不含冷卻風扇的ACDC電源，采用雙固態源和ACDC電源非平衡比上下同步散熱技術，電源的散熱設計主要包括高熱耗器件的熱傳遞和風道的設計兩部分，高熱耗器件主要采取的措施是固定在金屬鋁材散熱器上。其次散熱器齒條空隙的方向與風道流向一致，旨在快速將熱量帶出。同時ACDC電源內部器件密度較高，考慮其熱設計需求，設計之初，預留一定的間隙，使風能吹進電源內部，并進入導風罩，隨烹飪器具出口吹出。ACDC電源散熱示意圖如圖5所示。

圖5 ACDC電源散熱示意圖

2.3 風道散熱設計

風道散熱設計，直接體現在導風罩的設計上面，導風罩的設計兼顧固態源、ACDC電源、風量配比、出風口等諸多因素，最重要的是使風流更通暢。

圖6 風道散熱設計對襯底溫升的影響

由圖6可以看出，圖6a)所示開始導風罩的風流動紊亂，且出風集中在一側，散熱器兩側溫差最大20℃左右。圖6b)經過仿真優化后的風道設計，出風均勻，其內部固態源第一高熱點溫度下降18℃，實際測試結果15℃左右。因此，風道、導風罩的設計是射頻加熱系統關鍵的步驟。

2.4 風扇風量

風扇風量的大小指的是送入導風罩風量的大小，當風量越大，風速越快，熱量交換的速度越快，帶走的熱耗就會越多，越有利于模塊的散熱設計。

冷卻風扇外形尺寸280 mm×105 mm×105 mm，最大風量160 CFM，轉速2100 rpm，220 V/0.3 A。

由圖7可以看出，當風扇風量由130 CFM增加到160 CFM時，熱點的溫度下降5℃左右，通常風量越大，熱點的溫度越低，但隨著風扇風量的增大，風扇帶來的噪聲也會越大，因此在滿足整機噪聲標準的情況下，選擇風量較大的冷卻風扇。

圖7 風扇風量大小設計仿真圖

2.5 進風口、出風口散熱設計

進風口指風扇的進風口，通過增大烹飪器具外罩進風口孔徑的大小和數量，則進風的溫度越低；通過風扇進風口與烹飪器具外罩進風孔之間盡可能不要放置其他部件，則進風越流暢；ACDC電源和固態源的工作環境溫度越低，散熱設計性能越好。如圖8所示，出風口指的是導風罩出風口，同時也是烹飪器具的出風口，其風口的大小和出風的流暢性同樣影響模塊的工作環境溫度。

圖8 出風口設計仿真圖

2.6 風量配比設計

由圖1可以看出，本射頻加熱系統采用雙層引流高效散熱設計，其中風扇同時給ACDC電源和固態源進行散熱，由于固態源是產生熱耗最多的器件，因此75%的風量經過固態源到出風口，隨著風扇的旋轉，25%的風量由底部帶入到ACDC電源中，調節風量的配比及出風均勻，可以優化ACDC和固態源的工作環境，提升射頻加熱系統的各項性能。

3 仿真與實測對比

采用三維穩態不可壓縮流動，選擇realizable two-equation湍流模型，環境溫度25℃，監測射頻功放芯片襯底溫度點，仿真射頻加熱系統總熱耗600 W情況下監測點的溫度狀況，仿真結果如圖1～圖8所示。

按照圖9所示進行測試，表1列出了通過仿真優化后襯底溫度下降的數值和實測數據對比，通過對比實驗數據和仿真數據發現，監測點溫差的實測數據和仿真數據誤差較小，最大誤差在3℃以內，符合設計要求。

由表1可以看出，通過優化導風罩，襯底的實測溫度降低了15℃，改善效果最為明顯，其次是優化風量配比，芯片襯底溫度下降了7℃；結合固態源、ACDC電源、風扇風量、進風口、出風口等各項散熱優化措施后，最終固態源功率放大芯片襯底的實測溫度降低了41℃，相比改善了22%，滿足各項指標要求。

圖9 烹飪器具溫升測試框圖

4 結論

本文首先通過分析影響射頻加熱系統散熱設計的各個影響因素，然后對每個影響因素都進行優化設計，其核心是加快熱量的交換，并得出以下結論：

（1）通過采用非均衡比上下高效同步散熱技術，即調節冷卻風扇風量在ACDC電源和雙固態源上的分量配比，使得射頻功放芯片襯底實測溫度下降了7℃。

表1 芯片襯底溫度下降數值仿真與實測

（2）流線型導風罩的設計旨在使風道中的風流動均勻順暢，使得射頻功放芯片襯底實測溫度下降了15℃，改善效果最為明顯。

（3）結合其他各項優化措施，固態源功率放大芯片襯底溫度實測結果總體降低了41℃，相比較改善了22%，因此各個影響因素的累加改善效果不容忽視。

射頻加熱系統散熱優化設計改善了烹飪器具的性能及可靠性，從而烹飪出更健康、更多元化的高品質美食。