星用固態功率放大器熱設計研究

周 明， 汪 宇， 吳 剛， 祝 超

（南京電子器件研究所，江蘇 南京210016）

0 引言

目前我國航天事業快速發展，而作為衛星平臺和載荷系統中的核心部件—微波、射頻功率放大器，其在數傳系統、應答機系統、衛星通訊系統、遙感遙測系統的作用不言而喻。隨著半導體器件、電路工藝技術的發展，目前固態功率放大器（SSPA）正在逐步替代傳統的行波管放大器。而固態功率放大器的關鍵參數：功率、效率和可靠性無一不與固放的熱學設計息息相關。本文以某衛星雷達用Ku波段脈沖固態功放為例，介紹固態功放的熱設計，并給出仿真、試驗結果。

1 功率放大器內部信息及其安裝

本功率放大器脈沖輸出功率為18 W，采用一只高增益功率單片放大器和2級微波功率管級連構成，功率放大器工作方式為漏極調制，工作電壓為+12V，正常工作時電流約為500 mA。功率放大器工作占空比為6.5%，達到穩態時，功率放大器內各器件平均功耗約為連續波工作功耗的6.5%，功率放大器內部發熱器件分布如圖1所示。

功率放大器外形如圖2如示。

圖1 功率放大器內部發熱元器件分布圖

圖2 功率放大器安裝圖

2 產品熱設計

2.1 熱設計概述

元器件的工作溫度和元器件的可靠性關系極大。元器件的失效常常是材料受熱退化造成的，隨著溫度升高，化學反應速度加快，導致失效率上升。Arrhenius化學反應速度定律表明其間的定量關系：

式中：λ 為熱力學溫度T 時的失效率；λ0為溫度T0時的失效率；Ea為激活能；K 為波爾茲曼常數。

星用固放的熱設計就是通過優化固放內大功率發熱器件的散熱路徑，將固放工作過程中產生的熱量有效地傳到衛星熱沉。熱設計要求就是在滿足功率放大器總重量的前提下，使功率放大器內的元器件結溫滿足文獻［1］中的I級降額要求。

由于航天器產品的特殊性，星用固態功率放大器的主要散熱方式為接觸散熱和輻射散熱。

2.2 大功率元器件的接觸散熱

本功率放大器中主要的大功率器件有GaAs功率單片放大器Q1、GaAs 8W 功率管Q2、GaAs 18W 功率管Q3。

在該產品熱設計輸入條件中，功率放大器的工作溫度范圍為-10～45℃，在此條件下，根據文獻［1］中的I級降額要求，Q1結溫應低于85℃，Q2、Q3結溫應低于100℃，并盡量留有余量。

功率器件以直接或通過擴熱板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。由接觸傳熱公式：

式中：Qc接觸傳熱的熱流（W）；Ac接觸傳熱面積（m2）；hc接觸傳熱系數（W／m2·℃）；T1接觸表面1的溫度（℃）；T2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。接觸傳熱系數的大小與接觸物體的材料性質、表面的粗糙度、表面之間的壓緊力，以及兩表面間是否填充導熱填料和導熱填料的性質有關。

接觸傳熱公式也可以寫成式（3）的形式

式中：接觸熱阻Rc為

在功率放大器中，功率管和擴熱板采用無氧銅材料，為熱的良導體，為了減重同時考慮導熱導電性能，功率放大器殼體采用硬鋁材料。

功率放大器殼體中用于安裝功率管和擴熱板的安裝面粗糙度應越小越好，考慮到成本和工藝水平，功率管和擴熱板的安裝面粗糙度小于1.6μm。

功率管和擴熱板采用螺釘壓接，螺釘旋緊采用標準力矩。為了保持功率管和擴熱板的電接地良好，安裝面不填充導熱填料。

大功率元器件的數量、熱功耗、安裝位置、安裝方式，散熱路徑及采取的散熱措施如表1。

2.3 功率放大器表面及處理

功率放大器底板與衛星儀器板采用接觸安裝的方式，因此功率放大器底板的平面度和粗糙度應在工藝水平允許內盡可能的高，在本功率放大器中設計平面度優于0.1mm／100mm，粗糙度優于3.2μm。

表1 大功率器件散熱措施

與接觸導熱不同，輻射傳熱不與溫度差成正比，而與溫度的四次方差成正比，要想通過輻射散出更多的熱量，降低功率放大器表面溫度，只有提高功率放大器表面的發射率，本功率放大器設計中要求殼體表面黑色陽極氧化處理，發射率大于0.85。

3 設計模擬驗證

功率放大器底板與45℃衛星儀器板接觸安裝，接觸導熱系數150 W／m2℃；通過計算機模擬發熱器件下表面的結構底板表面溫度分布如圖3所示。

圖3 結構底板表面溫度分布

在結構底板表面溫度已知的前提下計算器件結溫過程如下：

根據文獻［1］中所給出的典型表面接觸熱阻實例，真空條件下，銅與銅的接觸壓力在（7×105～70×105）Pa之間，表面粗糙度在0.25μm 時，接觸傳熱系數h＝1 136 W／m2℃（實際粗糙度可以看作是接近0.25μm）。

器件安裝使用為M2.5螺釘，螺釘的標準力矩為50Ncm，將平行于托板方向的分力忽略，作用在垂直于托板方向的作用力F約為

式中：T 為螺釘力矩；d2為螺 紋 中 徑；φ 為 螺 紋 升角取30°；ρ為摩擦角取20°［3-4］。 （5）

作用在器件上的平均壓力為

式中：n 為器件安裝螺釘數；S 為與器件殼體接觸面積。

該壓力滿足上述金屬間的接觸壓力，可以引用實驗所得的接觸傳熱系數。

由式（4）可得器件Q3與殼體間接觸熱阻：

器件Q3結殼熱阻Rth為1.8K／W，由式（2）可以計算出器件Q3結與其下表殼體溫度差ΔT ΔT ＝Q×（R+Rth）＝4.83×（0.56+1.8）＝11.4 器件Q3下表面殼體溫度由圖3 可知為68℃，所以器件Q3結溫Tch＝50.9℃+11.4℃＝62.3℃≤100℃。

同樣方法得出Q1、Q2的結溫。

4 熱設計結果分析及結論

4.1 熱設計結果分析

通過仿真和計算，得出了固態功率放大器內大功率元器件的熱分析結果，在表2中給出。

表2 大功率元器件熱分析結果

4.2 熱設計驗證結果

將圖2中功率放大器置入模擬衛星艙中進行熱平衡試驗，各器件殼溫曲線圖如圖4所示。

圖4 熱平衡時各器件殼溫曲線圖

采用熱耦探測發熱元件殼溫，通過計算分別得出各器件結溫，試驗結果與設計值比對如表3所示。

4.3 結論

本功率放大器通過殼體表面黑色陽極氧化處理；部分發熱較大器件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等主要措施；以及印制板增加鋪銅厚度和鋪銅面積、增加金屬過孔等輔助措施改善散熱。

表3 試驗與設計值比對表

經過模擬仿真、分析計算以及熱平衡試驗驗證，功率放大器在真空下工作時大功率器件結溫滿足文獻［1］中的I級降額，功率放大器熱設計滿足要求。

［1］ GJB／Z35-93.元器件降額準則［S］.1993：52.

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

［3］ 楊恩霞.機械設計［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008：31.

［4］ 葛志祺.機械零件設計手冊（第二版，上冊）［M］.北京：冶金工業出版社，1980：188-189.