一種室外功放的熱設計及仿真

石金彥

摘 要：本文根據某室外功放的設計輸入，開展了固態功率管的熱設計技術研究，提出了風冷散熱和水冷散熱技術手段，并通過熱仿真分析，給出兩種散熱手段所達到的散熱效果，最后，總結了工程設計時要注意的關鍵點。

關鍵詞：固態功率管；強迫風冷；液冷；熱設計

中圖分類號：TN830.5 文獻標識碼：A 文章編號：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

室外電子設備的結構設計，在很大程度上主要是解決密封和散熱之間的矛盾。一些固態功率管等高功率、小體積之類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，熱流密度相當高。因此，與固態功率管相關的電子設備的熱設計也越來越引起行業內工程師的重視。

某一體化功放設備，其核心部件是功放微帶板。功放微帶板上，分布了兩個固態功率管和合成電路等，單個功率管的熱耗為130W，微帶板長325mm，寬185mm。功放微帶板及輸入輸出，集成為功放模塊。功放模塊總發熱量為320W，發熱部件組成有：功率管（260W）、驅動器件（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，與底部散熱機殼通過螺釘壓接，緊密接觸，以便熱量傳導散出。

設備電源（熱耗為60W）為單一獨立結構，其獨立于功放模塊?？紤]室外環境等因素，電源和功放模塊集成為一體化設備。經過集成后的一體化功放設備，組陣分布于室外。功放設備數量多，距離近，但互相獨立。

2 功率器件散熱途徑分析

功放設備的結構設計，首先應以功率管的散熱設計為前提。通常情況下，功率管固定在面積是管殼法蘭面積數10倍的表面加工精度較高的鋁合金或銅基礎板上，再由此基礎板將熱能傳導至散熱器，由散熱器將熱能傳導至熱沉。提高功率器件的散熱效率，其實是減小在各個熱傳遞表面之間的熱阻。

根據王健[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熱阻、管殼到最終熱沉的外熱阻。其中，內熱阻是在管芯封裝過程中產生的，無法改變，因此，降低內熱阻通常是功率管設計者較為關心的問題。呂洪濤[3]和王彥海[4]的研究對同類產品的熱設計也有一定的參考價值。

而在實際應用中，功率管的冷卻設計主要是針對外熱阻進行的，這是冷卻工程師較為關心的問題。該功放整機中，功放微帶板上使用的固態功率管熱耗較大?？紤]到功率管首先必定被安裝在基板上，再通過基板將熱能引到散熱器上，根據功率管本身的特性曲線分析，外界環境溫度為-40℃～+55℃。通過散熱措施，管殼溫度被控制在85℃以下時，可確保功率管的正常工作。

根據設計輸入，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、基板的導熱熱阻、基板與散熱器的接觸熱阻、散熱器的導熱熱阻和散熱器翅片與空氣的對流換熱熱阻等。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，添加導熱硅脂或導熱襯墊等。

除風冷散熱，還可以考慮以水冷板的形式進行末級熱交換。其原理見圖3。水具有較高的比熱容，水冷散熱效果也優于風冷散熱效果。下文對兩種散熱方式進行具體分析。

3 風冷式功放結構及熱仿真

根據一體化設計實現思想，采用風冷方式散熱的功放設備外形見圖4所示。

采用翅片散熱器結構形式，兩側分別固定功放模塊和電源模塊。電源發熱器件安裝面與翅片散熱器表面緊貼。功放模塊設計為密閉結構，功率管安裝在銅基板上，銅基板通過鑲嵌的方式固定在功放模塊機殼上，并在功放模塊機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。最終通過風冷風機排風帶走功放的熱能。

根據前文所述的輸入條件，參考相關品牌風機的參數設置排風量。翅片厚度2mm，間隙5mm。翅片散熱器兩側的安裝平面厚度為6mm。功率器件和電路安裝基板到散熱器，各個不同材料的表面設置相應的熱傳導系數。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。分析目標主要為：在環境溫度為55℃時，分析功率管機殼熱平衡狀態下的最高溫度值。仿真用的工具為Icepak。

仿真結果見圖6和圖7。由圖6可知，功放管外殼底座達到熱平衡的溫度為80.4℃，是整個功放模塊內部殼體的最高溫度。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流矢量方向圖。由計算結論可知，功放模塊內的發熱器件，采用與齒片散熱器底板直接壓接的方式，擴大了吸熱程度和對外導熱的接觸面積，在風機的作用下，熱傳導效果良好。

圖7是電源模塊安裝面的溫度分布云圖。

4 水冷式功放結構及熱仿真

除風冷式結構外，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，以確保其導熱平面熱阻最小，從而使散熱效果達到最佳狀態。

水冷板有進水口和出水口，冷板內有液體流通管路，通過熱傳導及液體循環帶走功放模塊產生的熱能。水冷單機結構見圖8。

其中，水冷板厚度為20mm，中間設置為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。入水口流量設置為0.1L/s。功率器件和電路安裝基板到散熱器，各個不同材料的表面設置相應的熱傳導系數。結合前文輸入條件，建立如圖9所示的分析模型。

入水的水溫設置為60℃。這是因為，如果不考慮制冷設備，而將水源集中在外界進行風冷式熱交換。通常情況下，水溫經過有效散熱后，要比環境溫度高出5～10℃。分析結果見圖10。功放管殼的溫度最高為74.2℃。

5 結語

本文結合某室外功放設備的結構設計，在不改變結構形式的前提下，研究了風冷和水冷兩種散熱方式，并通過熱仿真分析，給出了散熱效果。針對單臺功放設備，無論采用風冷，還是采用水冷散熱，根據計算數據可知，均滿足工程需求。

對于單機熱設計，需要盡可能降低從發熱器件到末端散熱器中間所有銜接界面的熱阻。在此基礎上，優化影響散熱效果的多個參數。

在滿足單機環境使用條件的基礎上，系統功放設備組陣則需要綜合考慮風冷和水冷方式的優缺點，以選取合適的散熱手段。例如，風冷功放設備存在噪聲大的缺點，但不需要其他的輔助支撐設備。而采用水冷方式進行散熱，散熱效果好，現場安靜，但需要驅動泵、水路、外界熱交換器及風機，甚至需要智能監控單元。

參考文獻：

[1]王健.大功率固態功率管熱設計優化及驗證[J].電子機械工程，2012（4）：15-18.

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

[3]呂洪濤.某固態發射模塊冷板的設計及優化[J].電子機械工程，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計中的應用[J].電子機械工程.2012（1）：27-30.