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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(wú)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(duì)發(fā)信機(jī)長(zhǎng)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(cè)試方式，對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）模塊，根據(jù)功放單元功率等級(jí)、效率需求，并經(jīng)過對(duì)大功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）模塊的實(shí)際測(cè)試用低頻功率放大器選用型號(hào)為APTM100UM45DAG的大功率場(chǎng)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(duì)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(zhǎng)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(jí)，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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)保護(hù)單元、指示電路等所產(chǎn)生的熱量相對(duì)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(chǎng)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(duì)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管模塊的耗散功率進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)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(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓浪慵纯蒣2]。

對(duì)于MOSFET場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管模塊的驅(qū)動(dòng)損耗是由基極電阻引起的，驅(qū)動(dòng)電流很小，所以驅(qū)動(dòng)損耗常忽略不計(jì)。通過對(duì)APTM100UM45DAG型場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管模塊的通態(tài)損耗Pcond為：

開關(guān)損耗Psw：

由MOSFET場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管模塊的開關(guān)損耗相同。綜上所述，單只MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管模塊的最大耗散功率為226W?？紤]到MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管外圍電路及連接線等損耗，對(duì)于電子元器件的計(jì)算需散熱的功耗適當(dāng)增大，對(duì)于單只MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管模塊的最大耗散功率取300W。

根據(jù)對(duì)主放大電路中各關(guān)鍵元器件樣本資料的查閱以及對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)以上影響因素進(jìn)行嚴(yán)格控制。

在大功率場(chǎng)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(huì)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(cè)試

本論文中的熱測(cè)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(cè)試法以及紅外溫度測(cè)試法分別對(duì)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(cè)試，對(duì)冷卻方法的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。

根據(jù)系統(tǒng)總體對(duì)低頻功率放大器在全頻段上工作穩(wěn)定可靠的要求，熱測(cè)試試驗(yàn)需測(cè)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(cè)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(yǔ)

本論文對(duì)30kW低頻功率放大器進(jìn)行了熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)， 建立了30kW低頻功率放大器的熱結(jié)構(gòu)，對(duì)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(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。

作者單位：宋光明 中國(guó)人民解放軍91977部隊(duì)

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1]李偉春，梁亞沖.某大功率功放的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2003，19（01）：31-32，35.

[2]柳毅，黃永清.某高功率固態(tài)發(fā)射機(jī)散熱研究[J].電子機(jī)械工程，2011，27（04）：1-4.

[3]杜霆.液冷固態(tài)發(fā)射機(jī)熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2006，22（06）：19-21.

[4]王麗.大功率電子設(shè)備結(jié)果熱設(shè)計(jì)研究[J].無(wú)線電工程，2009（04）：61-64.

[5]張遵鷗. 大功率射頻液冷功放熱仿真[C]. //2011年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2011：351-354.