功率放大器的熱設(shè)計(jì)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(shè)備的主要失效形式之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過(guò)規(guī)定值引起的，隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)。所以，功率器件熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)，良好的熱設(shè)計(jì)是保證設(shè)備可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

本文以Ku波段功率放大器為例，介紹了功率放大器熱設(shè)計(jì)的方法和流程，對(duì)功率放大器進(jìn)行了詳細(xì)的熱設(shè)計(jì)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(guān)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(jí)微波功率管級(jí)連構(gòu)成。功率放大器工作方式為漏極調(diào)制，其內(nèi)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(nèi)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(guò)擴(kuò)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(jù)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(shù)（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(yīng)擴(kuò)大安裝接觸面積AC，提高接觸傳熱系數(shù)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(kuò)熱板燒結(jié)，擴(kuò)熱板通過(guò)螺釘安裝在功放殼底，銅擴(kuò)熱板底部鍍金；元器件Q2和Q3通過(guò)螺釘直接安裝在功放鋁殼上，器件底部鍍金。

考慮到導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，功率放大器殼體采用硬鋁材料，同時(shí)表面黑色陽(yáng)極化處理，增大表面發(fā)射率，提高輻射交換系數(shù)。

3 利用軟件ANSYS 熱仿真設(shè)計(jì)

利用ANSYS軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到功放模塊發(fā)熱器件下表面的結(jié)構(gòu)表面溫度分布，如圖2所示。

由圖2可以看出，功率放大器結(jié)構(gòu)的最大熱分布區(qū)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(jié)構(gòu)相應(yīng)位置的熱分布也隨之增加。

4 功率器件結(jié)溫的理論計(jì)算與分析

由功放熱仿真結(jié)果圖2得出器件Q1、Q2、Q3的下表面殼體溫度，在結(jié)構(gòu)底板表面溫度已知的前提下，計(jì)算器件結(jié)溫的過(guò)程如下：

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中所給出的典型表面接觸熱阻實(shí)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(shí)，絕緣系數(shù)約為0.88×10-4m2·K/W。因?yàn)橥邪迮c功率器件表面均鍍厚金，實(shí)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(jié)殼熱阻2.8℃/W，允許的最高降額結(jié)溫100℃（Ⅰ級(jí)降額，引用GJB35-93）；

器件與殼體間壓力計(jì)算如下：

器件使用M2螺釘，螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)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(shù)，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(jié)溫Tch：

采用類似方法計(jì)算出器件Q1、Q3的結(jié)溫。

5 熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

我們將熱耦分別安裝在器件Q1、Q2、Q3的殼體表面，測(cè)出功率放大器穩(wěn)定工作時(shí)器件的殼溫，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出被測(cè)器件的結(jié)溫。試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值對(duì)比如表1所示。

表1 試驗(yàn)與設(shè)計(jì)值對(duì)比

6 結(jié)論

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

經(jīng)過(guò)熱設(shè)計(jì)、模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，功率放大器滿足Ⅰ級(jí)降額，滿足熱設(shè)計(jì)要求。

[1] 楊保華.航天電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)[M]. 2005. 1-18，1-12.

[2] GJB／Z35—93.元器件降額準(zhǔn)則[S]. 1993. 52.

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

[4] 汪宇，吳禮群，吳剛，等.星用固態(tài)脈沖功率放大器的熱設(shè)計(jì)研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2011,31（6）：574-576.

[5] GJB/Z27-92.電子產(chǎn)品可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].