低頻功率放大器液冷設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了一種基于大功率低頻功率放大器集成度高、大功耗器件使用和產(chǎn)品體積小型化的特點(diǎn)，采用液冷冷卻方式的設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)方案有效地解決了大功率放大器空間小、熱源集中、散熱量大的問題，使低頻功率放大器能夠可靠地工作。經(jīng)過樣機(jī)測試，結(jié)果顯示液冷散熱能夠滿足大功率低頻放大器的散熱需求，表現(xiàn)出很好的效果。這是一個(gè)非常實(shí)用和有效的技術(shù)，值得在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：低頻功率放大器；熱源模型；熱分析；熱測試

一、引言

目前低頻通信領(lǐng)域內(nèi)大功率發(fā)信機(jī)普遍使用強(qiáng)迫風(fēng)冷作為主要的散熱方式，其設(shè)計(jì)思路簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但表現(xiàn)出傳統(tǒng)強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的散熱效率低、散熱器體積龐大、噪聲大、可靠性差等缺點(diǎn)，無法滿足高功率密度、大耗散的設(shè)備冷卻需求。大功率低頻發(fā)信機(jī)整機(jī)內(nèi)部設(shè)備種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，發(fā)熱器件眾多且發(fā)熱量大，發(fā)信機(jī)能否有效散熱對發(fā)信機(jī)長時(shí)間可靠工作具有重大意義[1]。本論文通過理論計(jì)算和樣機(jī)測試方式，對低頻功率放大器進(jìn)行器件布局設(shè)計(jì)、液冷板設(shè)計(jì)、液體流量設(shè)計(jì)，以改善和提高其散熱效果及效率，從而實(shí)現(xiàn)功率放大器的小型化改進(jìn)。

二、低頻功率放大器電路及熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）低頻功率放大器主電路拓?fù)浼肮Ψ牌骷倪x擇

低頻功率放大器電路形式采用經(jīng)典的“H”橋開關(guān)電路形式，通過直流高壓的調(diào)整達(dá)到輸出功率的變化，滿足技術(shù)指標(biāo)中功率可調(diào)整要求。主電路器件包括四個(gè)大功率場效應(yīng)管模塊，6個(gè)反向并聯(lián)的二極管模塊，2個(gè)電阻模塊。

場效應(yīng)管（MOSFET）適用于寬頻段、移頻狀態(tài)工作，可很好適應(yīng)阻性、容性、感性負(fù)載，符合低頻固態(tài)發(fā)信機(jī)特點(diǎn)，低頻功率放大器中的功率開關(guān)管選用大功率場效應(yīng)管（MOSFET）模塊，根據(jù)功放單元功率等級、效率需求，并經(jīng)過對大功率場效應(yīng)管（MOSFET）模塊的實(shí)際測試用低頻功率放大器選用型號為APTM100UM45DAG的大功率場效應(yīng)管（MOSFET）模塊作為其主要的功率開關(guān)器件。

（二）低頻功率放大器的熱設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)對低頻功率放大器的熱設(shè)計(jì)要求如下：

①全頻段穩(wěn)定輸出功率≥30kW；

②全頻段η≥95%；

③滿足系統(tǒng)小型化要求，結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用盒體空間；

④保證設(shè)備內(nèi)部溫度分布均勻，各關(guān)鍵元器件均能正常穩(wěn)定長期工作；

⑤冷卻水入口溫度T1為25℃時(shí)，出水溫度要求T2≤40℃。

（三）低頻功率放大器熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低頻固態(tài)發(fā)信機(jī)功率容量達(dá)到兆瓦級，由許多低頻功率放大器同時(shí)工作輸出，因此需要整體考慮功率放大器的結(jié)構(gòu)，以滿足多個(gè)功率放大器同時(shí)工作要求。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單個(gè)功率放大器采用非標(biāo)3U插箱式結(jié)構(gòu)，再由一定數(shù)量的功率放大器組成一個(gè)機(jī)柜，最后由多個(gè)機(jī)柜組成發(fā)信機(jī)的功率放大部分。

低頻功率放大器插箱總體尺寸為長606 mm×寬637mm×高132.5mm。低頻功率放大器機(jī)箱均為鋁合金材質(zhì)，內(nèi)部所有結(jié)構(gòu)件均為銅、鋁材質(zhì)，機(jī)箱盒體采用2mm厚的鋁合金（LF2-M）折彎焊接加工而成。

其中內(nèi)部組件主要有主放大電路、散熱裝置1套、數(shù)字保護(hù)驅(qū)動單元4個(gè)、指示電路1個(gè)、銅質(zhì)連接板若干、電感電容器等其他元器件若干組成。 除上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還需要考慮到整個(gè)功率放大器的散熱以及安全保護(hù)等方面的設(shè)計(jì)。

2.低頻功率放大器冷卻方式的選擇

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)時(shí)冷卻方法的選擇主要依據(jù)電子設(shè)備的熱流密度、體積功率及溫升。低頻功率放大器的機(jī)箱外殼均采用導(dǎo)熱系數(shù)良好的鋁作為主要材質(zhì)，其內(nèi)部組件產(chǎn)生的熱量一部分自然散熱通過機(jī)箱側(cè)壁的散熱孔向機(jī)箱外排出，另一部分由主放大電路產(chǎn)生的熱量通過散熱裝置向機(jī)箱外排出。低頻功率放大器中的內(nèi)部組件如數(shù)字驅(qū)動保護(hù)單元、指示電路等所產(chǎn)生的熱量相對于主放大電路而言很小，通過自然散熱即可滿足其工作要求，可以不考慮強(qiáng)制散熱。作為低頻功率放大器中的關(guān)鍵熱源主放大電路主要包括4個(gè)MOSFET場效應(yīng)管模塊、6個(gè)二極管模塊、2個(gè)電阻模塊。

功率放大器耗散功率的計(jì)算主要是對MOSFET場效應(yīng)管模塊的耗散功率進(jìn)行計(jì)算，而對于二極管模塊以及電阻模塊，它們的平均功耗較小，按照相關(guān)方面使用經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓浪慵纯蒣2]。

對于MOSFET場效應(yīng)管模塊，計(jì)算其在最大工作頻率滿功率工作時(shí)最大直流輸入電壓Uin=450V下的耗散功率，通過電路設(shè)計(jì)在最大輸入電壓為Uin=450V時(shí)，直流輸入電流為Iin=70A，直流輸入功率Pin=VI=450×70=31.5kW。

MOSFET場效應(yīng)管模塊的驅(qū)動損耗是由基極電阻引起的，驅(qū)動電流很小，所以驅(qū)動損耗常忽略不計(jì)。通過對APTM100UM45DAG型場效應(yīng)管模塊的相關(guān)工作曲線的查閱得到，當(dāng)其在最高工作頻率最大直流輸入電壓Uin=450V時(shí)，其漏源通態(tài)電阻RDS（ON）=95mΩ、開通時(shí)的能量損耗Eon=4mJ、關(guān)斷時(shí)的能量損耗Eoff=2mJ、工作結(jié)溫Tj=75℃。因此APTM100UM45DAG型場效應(yīng)管模塊的通態(tài)損耗Pcond為：

開關(guān)損耗Psw：

由MOSFET場效應(yīng)管的工作特性可知每只MOSFET的通態(tài)損耗基本一致，開關(guān)損耗按其進(jìn)行合理的統(tǒng)一化即設(shè)定4只MOSFET場效應(yīng)管模塊的開關(guān)損耗相同。綜上所述，單只MOSFET場效應(yīng)管模塊的最大耗散功率為226W。考慮到MOSFET場效應(yīng)管外圍電路及連接線等損耗，對于電子元器件的計(jì)算需散熱的功耗適當(dāng)增大，對于單只MOSFET場效應(yīng)管模塊的最大耗散功率取300W。

根據(jù)對主放大電路中各關(guān)鍵元器件樣本資料的查閱以及對二極管模塊和電阻模塊功耗的估算，總結(jié)得出主要關(guān)鍵器件功耗及其他相關(guān)參數(shù)表如表1所示。

由表1計(jì)算可得，主放大電路的總功耗約為2kW（考慮留有20%～30%的設(shè)計(jì)余量）。根據(jù)電路設(shè)計(jì)，對主放大電路中各器件進(jìn)行排布后，主放大電路所占空間大小約36.5cm×27.55cm×2.6cm，體積功率密度：ФV=ψ/V=2000/（36.5×27.55×2.6）=0.756W/cm3，熱流密度：?=2000/2/（36.5×27.55+36.5×2.6+27.55×2.6）=0.85W/cm2。

為保證主放大電路內(nèi)關(guān)鍵器件的可靠穩(wěn)定工作，要求環(huán)境溫差不超過15℃，根據(jù)一般的電子設(shè)備，溫升、熱流密度、冷卻方式關(guān)系，并結(jié)合密封的電子設(shè)備當(dāng)溫升不超過40℃時(shí)，熱流密度和體積功率與冷卻方法的對應(yīng)關(guān)系，考慮設(shè)備研發(fā)制造的可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素以及系統(tǒng)總體對設(shè)備在實(shí)際輸出功率、散熱效率、穩(wěn)定性及噪聲的要求，最終選擇強(qiáng)迫液冷作為低頻功率放大器主要的散熱方式。

3.低頻功率放大器液冷設(shè)計(jì)

低頻功率放大器的液冷冷板基材選用鋁材（Al6061），管道材質(zhì)選用導(dǎo)熱率更高的銅材（純銅），冷卻介質(zhì)選用最常用且散熱效果最好的水。根據(jù)電路設(shè)計(jì)的需求，選用矩形S形流道，將發(fā)熱量較大的大功率場效應(yīng)管模塊布局在流道正上方，其他模塊按照電路的連接關(guān)系進(jìn)行依次排布[3]。低頻功率放大器的液冷冷板及其上元器件安裝位置示意圖如圖1所示。

主放大電路板上各模塊的最佳工作溫度在25℃～50℃。將入口溫度T1設(shè)置為25℃，出水溫度要求T2≤40℃。已知液冷冷板內(nèi)流道的直徑為9.5mm，冷板散熱功率Q為2kW。將冷板流體的平均溫度作為它的定性溫度Tf=（T1+T2）/2=32.5℃。

流道橫截面積：

查表知在32.5℃下，水的比熱容Cp=4178J/（kg·K），水的密度ρ=995kg/m3。

流體的流量：

流體的流速：

主放大電路中的各個(gè)元器件均為貼裝式安裝，面-面接觸時(shí)的接觸電阻主要受加工面的平面度、表面粗糙度以及面-面間導(dǎo)熱材料性能等因素有關(guān)，要對以上影響因素進(jìn)行嚴(yán)格控制。

在大功率場效應(yīng)管模塊等元器件安裝時(shí)，不采用任何措施兩者之間會產(chǎn)生很大的接觸熱阻。本論文中選用導(dǎo)熱硅脂作為界面填充材料。在主放大電路中的各個(gè)元器件進(jìn)行安裝時(shí)，先將元器件和冷板的貼裝表面清理干凈，避免有雜質(zhì)或者油污，之后在元器件的貼裝表面上均勻地涂抹一定厚度的導(dǎo)熱硅脂，再將元器件安裝在冷板上。

三、熱測試

本論文中的熱測試試驗(yàn)，主要是模擬低頻功率放大器的工作環(huán)境，使其可以在各頻段正常輸出功率，在此條件下運(yùn)用熱電偶溫度傳感器測試法以及紅外溫度測試法分別對低頻功率放大器液冷冷板的出水溫度及各個(gè)關(guān)鍵元器件的表面平均溫度進(jìn)行熱測試，對冷卻方法的有效性進(jìn)行評價(jià)[4]。

根據(jù)系統(tǒng)總體對低頻功率放大器在全頻段上工作穩(wěn)定可靠的要求，熱測試試驗(yàn)需測試低頻功率放大器在各頻段下水冷板的散熱效果。

通過熱測試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目前低頻功率放大器主放大電路及其水冷板的熱設(shè)計(jì)方案可以滿足系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)要求。但是個(gè)別元器件的平均溫度未在其最佳工作溫度25℃～50℃之間，通過仿真優(yōu)化在冷板材料、流體流速等方面以達(dá)到更加優(yōu)異的設(shè)計(jì)[5]。

四、結(jié)束語

本論文對30kW低頻功率放大器進(jìn)行了熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱測試實(shí)驗(yàn)， 建立了30kW低頻功率放大器的熱結(jié)構(gòu)，對低頻功率放大器主放大電路的主要熱源、散熱情況進(jìn)行了計(jì)算分析，選擇液冷作為其主要散熱方式，并設(shè)計(jì)了液冷冷板，經(jīng)測試各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

作者單位：宋光明 中國人民解放軍91977部隊(duì)

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

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