均熱板在大功率功放的應用研究

曹瑩

摘? ?要：散熱問題已成為大功率功放設(shè)備可靠性的瓶頸問題。文章針對均熱板散熱器在某大功率功放模塊中的應用進行了設(shè)計優(yōu)化和研究分析。經(jīng)過實驗驗證，結(jié)果表明了優(yōu)化后的均熱板散熱效果良好，能有效解決大功率功放模塊高熱流密度所導致的散熱問題。同時，對內(nèi)嵌雙均熱板的均熱板散熱器在其他產(chǎn)品的工程應用中具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：均熱板;大功率功放;高熱流密度;散熱器

末級功放管是大功率功放設(shè)備的核心器件，工作時熱流密度極高，已達到了10～30 W/cm2，有些甚至超過了100 W/cm2。散熱不良將會造成整個設(shè)備性能參數(shù)下降，甚至燒毀功放管[1]。雖然近年來功放管的設(shè)計制造已有較大的提升，可靠性越做越好，但是功放管散熱問題仍然是制約大功率功放設(shè)備發(fā)展的瓶頸問題。

1? ? 功放模塊熱設(shè)計

某功放模塊是某發(fā)射機的核心模塊。模塊內(nèi)含4個大功率功放管，根據(jù)測算，單個功放管最大發(fā)熱耗散功率為250 W，整模塊熱耗最大超過1 000 W。

功放管的最大管殼接觸傳熱面積為：S=4.128× 1.029=4.25 cm2;熱流密度Q=250÷4.25=58.8 W/cm2。單器件熱流密度較高，需使用散熱器作為大功率器件的導熱元件，并采用強迫對流散熱。

2? ? 均熱板設(shè)計

均熱板作為一種新型的導熱元件，因其高效和均勻?qū)岬奶攸c，在功放產(chǎn)品中得到了越來越多的應用[2]。

考慮到小型化和熱設(shè)計的需要，功放模塊采用共用風道的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，如圖1所示。中間兩塊散熱器對立安裝，兩側(cè)各布一塊功放板，功放板上有兩個功放管，每塊功放板熱耗500 W。模塊尾端安裝有風機，形成從前至后的風流，將散熱器翅片的熱量帶走。

在正常工作條件下，器件的最大安全運行溫度（結(jié)溫Tjmax）為225 ℃。考慮器件降額使用的要求，關(guān)鍵器件（即功放管）的最大結(jié)溫降額80%，即結(jié)溫不得超過180 ℃。

假設(shè)散熱器溫度Ts為80 ℃時，芯片可以正常工作：

反向推算，當結(jié)溫為180 ℃時的散熱器溫度應該小于：

此時計算功放管的外殼溫度為：

因此，功放模塊在最高環(huán)境溫度55 ℃的條件下，其功放管管殼最高溫度需小于155 ℃。

對安裝均溫板散熱器的功放模塊進行熱仿真，環(huán)境溫度為55 ℃。風機設(shè)置為最大風量192 CFM，最大風壓為142.1 Pa。均熱板等效導熱系數(shù)設(shè)為2 000 W/（m·k）。功放模塊的仿真結(jié)果如圖2所示。

從仿真云圖上看，環(huán)境溫度55 ℃，單功放管250 W時，功放管最高殼溫為118 ℃，小于器件允許的最高殼溫155 ℃，理論上可滿足要求。

3? ? 試驗驗證

測試采用熱控測試設(shè)備和自制工裝，工裝選用兩塊散熱器翅片相對安裝，熱源分布在工裝兩側(cè)。具體結(jié)果如表1所示。

表1中的序號1，2，3為常溫25 ℃的溫度測試結(jié)果。從測試結(jié)果看，芯片2和芯片4的散熱效果達到要求，芯片1和芯片3在常溫250 W的熱耗條件下開始出現(xiàn)了均熱板局部失效現(xiàn)象，熱耗300 W時失效更加明顯。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，布置在均溫板上的兩塊熱源位置相距較近，由于重力的作用，下方的熱源形成的蒸汽上升至上方的熱源處，兩股熱源耦合，從而導致均熱板局部出現(xiàn)失效，無法進行氣液兩相循環(huán)。對均熱板進行改進，將均熱板散熱器的均熱板分成兩塊，每一塊對應一個熱源，從而將兩塊熱源對應的毛細流道進行物料隔離，降低熱耦合的影響。

將改進后的裝置進行測試，測試結(jié)果如表1中的序號4，5，6所示，均熱板散熱器的散熱效果滿足要求，未出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

為了進一步驗證均熱板散熱器在極限條件下的散熱效果，將上述的自制工裝放入恒溫箱中，環(huán)境溫度設(shè)置為55 ℃，通過熱控測試設(shè)備進行了測試。

表1中序號7，8，9為改進后的測試裝置在平均熱耗200 W，225 W，250 W，環(huán)境溫度55 ℃條件下的溫度測試結(jié)果。從測試結(jié)果看，環(huán)境溫度55 ℃，單功放管250 W時，功放管最高殼溫為128 ℃，小于器件允許的最高殼溫155 ℃。因此，改進后的均熱板散熱器能滿足功放模塊的使用要求。

4? ? 結(jié)語

測試結(jié)果表明，改進后的均熱板散熱器能解決大功率功放模塊的高熱流密度所導致的散熱不良問題。通過將測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對比，測試數(shù)據(jù)比仿真結(jié)果高達5～10 ℃。表明在仿真過程中，均熱板模型的等效導熱系數(shù)設(shè)置過于理想化，實際的均熱板受制于銅燒結(jié)技術(shù)等制造工藝的影響，導熱效果難以達到均熱板的理論設(shè)計值，建議可將均熱板導熱系數(shù)設(shè)置為1 000～1 500 W/（m.k）并進行仿真。

[參考文獻]

[1]李雪光，李新勝.車載式全固態(tài)發(fā)射機結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計[J].電子機械工程，2013（5）：8-12.

[2]趙亮，田灃，楊龍.均熱板散熱性能實驗研究[J].機械工程師，2016（2）：23-25.

Abstract：The heat dissipation has become the bottleneck of the reliability of the high power equipment. In this paper， the application of the vapor chamber radiator in a high power amplifier module is optimized design and research analyzed. Through test， the result shows that the optimized vapor chamber radiator has good heat dissipation effect， it can effectively solve the heat dissipation problem caused by high heat flux density of the high power amplifier module， and the radiator of embedded double vapor chamber have a reference significance in engineering? application of other product.

Key words：vapor chamber; high power amplifier; high heat flux density; radiator