一种室外功放的热设计及仿真

2018-09-10石金彦

河南科技 2018年8期

关键词：液冷

石金彦

摘要：本文根据某室外功放的设计输入，开展了固态功率管的热设计技术研究，提出了风冷散热和水冷散热技术手段，并通过热仿真分析，给出两种散热手段所达到的散热效果，最后，总结了工程设计时要注意的关键点。

关键词：固态功率管；强迫风冷；液冷；热设计

中图分类号：TN830.5 文献标识码：A 文章编号：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

室外电子设备的结构设计，在很大程度上主要是解决密封和散热之间的矛盾。一些固态功率管等高功率、小体积之类的功率器件常有上百瓦的热耗，而底座仅为1～2cm2的散热面积，热流密度相当高。因此，与固态功率管相关的电子设备的热设计也越来越引起行业内工程师的重视。

某一体化功放设备，其核心部件是功放微带板。功放微带板上，分布了两个固态功率管和合成电路等，单个功率管的热耗为130W，微带板长325mm，宽185mm。功放微带板及输入输出，集成为功放模块。功放模块总发热量为320W，发热部件组成有：功率管（260W）、驱动器件（10W）、前端合成电路（20W）和后端合成电路（30W）。功放微带板热耗分布见图1。其中，功率管搭焊在微带板上，底座凸出于微带板，与底部散热机壳通过螺钉压接，紧密接触，以便热量传导散出。

设备电源（热耗为60W）为单一独立结构，其独立于功放模块。考虑室外环境等因素，电源和功放模块集成为一体化设备。经过集成后的一体化功放设备，组阵分布于室外。功放设备数量多，距离近，但互相独立。

2 功率器件散热途径分析

功放设备的结构设计，首先应以功率管的散热设计为前提。通常情况下，功率管固定在面积是管壳法兰面积数10倍的表面加工精度较高的铝合金或铜基础板上，再由此基础板将热能传导至散热器，由散热器将热能传导至热沉。提高功率器件的散热效率，其实是减小在各个热传递表面之间的热阻。

根据王健[1]和刘红兵[2]的研究可知，功率管的传热通道主要包括管芯到管壳的内热阻、管壳到最终热沉的外热阻。其中，内热阻是在管芯封装过程中产生的，无法改变，因此，降低内热阻通常是功率管设计者较为关心的问题。吕洪涛[3]和王彦海[4]的研究对同类产品的热设计也有一定的参考价值。

而在实际应用中，功率管的冷却设计主要是针对外热阻进行的，这是冷却工程师较为关心的问题。该功放整机中，功放微带板上使用的固态功率管热耗较大。考虑到功率管首先必定被安装在基板上，再通过基板将热能引到散热器上，根据功率管本身的特性曲线分析，外界环境温度为-40℃～+55℃。通过散热措施，管壳温度被控制在85℃以下时，可确保功率管的正常工作。

根据设计输入，可初步考虑采用图2所示的热交换形式。该功率管的传热途径包括管壳与基板的接触热阻、基板的导热热阻、基板与散热器的接触热阻、散热器的导热热阻和散热器翅片与空气的对流换热热阻等。要降低功率管的壳温，就需要减小其传热途径上的各种热阻。减小接触热阻的方法主要有提高功率管和接触面的平面度，增加压紧力，添加导热硅脂或导热衬垫等。

除风冷散热，还可以考虑以水冷板的形式进行末级热交换。其原理见图3。水具有较高的比热容，水冷散热效果也优于风冷散热效果。下文对两种散热方式进行具体分析。

3 风冷式功放结构及热仿真

根据一体化设计实现思想，采用风冷方式散热的功放设备外形见图4所示。

采用翅片散热器结构形式，两侧分别固定功放模块和电源模块。电源发热器件安装面与翅片散热器表面紧贴。功放模块设计为密闭结构，功率管安装在铜基板上，铜基板通过镶嵌的方式固定在功放模块机壳上，并在功放模块机壳成形工艺中的最后一道工序中，一次加工底部安装面，以确保铜基板、合成电路搭接的底板与翅片散热器表面接触良好。最终通过风冷风机排风带走功放的热能。

根据前文所述的输入条件，参考相关品牌风机的参数设置排风量。翅片厚度2mm，间隙5mm。翅片散热器两侧的安装平面厚度為6mm。功率器件和电路安装基板到散热器，各个不同材料的表面设置相应的热传导系数。建立如图5所示的分析模型。电源模块固定在齿片散热器的另外一侧。分析目标主要为：在环境温度为55℃时，分析功率管机壳热平衡状态下的最高温度值。仿真用的工具为Icepak。

仿真结果见图6和图7。由图6可知，功放管外壳底座达到热平衡的温度为80.4℃，是整个功放模块内部壳体的最高温度。图中给出了齿片散热器沿功放管器件纵截面的温度分布云图及风流矢量方向图。由计算结论可知，功放模块内的发热器件，采用与齿片散热器底板直接压接的方式，扩大了吸热程度和对外导热的接触面积，在风机的作用下，热传导效果良好。

图7是电源模块安装面的温度分布云图。

4 水冷式功放结构及热仿真

除风冷式结构外，还可采用水冷板散热。功放模块直接压接在水冷板上，功放管及发热合成电路基板表面与水冷板表面紧密压接。水冷板与基板的接触面表面光洁度和平面度较好，以确保其导热平面热阻最小，从而使散热效果达到最佳状态。

水冷板有进水口和出水口，冷板内有液体流通管路，通过热传导及液体循环带走功放模块产生的热能。水冷单机结构见图8。

其中，水冷板厚度为20mm，中间设置为S形水路，水路直径为12mm。入水口和出水口采用T形螺纹合金接头和柔性软管连接。入水口流量设置为0.1L/s。功率器件和电路安装基板到散热器，各个不同材料的表面设置相应的热传导系数。结合前文输入条件，建立如图9所示的分析模型。

入水的水温设置为60℃。这是因为，如果不考虑制冷设备，而将水源集中在外界进行风冷式热交换。通常情况下，水温经过有效散热后，要比环境温度高出5～10℃。分析结果见图10。功放管壳的温度最高为74.2℃。

5 结语

本文结合某室外功放设备的结构设计，在不改变结构形式的前提下，研究了风冷和水冷两种散热方式，并通过热仿真分析，给出了散热效果。针对单台功放设备，无论采用风冷，还是采用水冷散热，根据计算数据可知，均满足工程需求。

对于单机热设计，需要尽可能降低从发热器件到末端散热器中间所有衔接界面的热阻。在此基础上，优化影响散热效果的多个参数。

在满足单机环境使用条件的基础上，系统功放设备组阵则需要综合考虑风冷和水冷方式的优缺点，以选取合适的散热手段。例如，风冷功放设备存在噪声大的缺点，但不需要其他的辅助支撑设备。而采用水冷方式进行散热，散热效果好，现场安静，但需要驱动泵、水路、外界热交换器及风机，甚至需要智能监控单元。

参考文献：

[1]王健.大功率固态功率管热设计优化及验证[J].电子机械工程，2012（4）：15-18.