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，采用液冷冷卻方式的設計方案。這種設計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)過樣機測試，結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。這是一個非常實用和有效的技術，值得在實際應用中進一步推廣和應用。

關鍵詞：低頻功率放大器；熱源模型；熱分析；熱測試

一、引言

目前低頻通信領域內(nèi)大功率發(fā)信機普遍使用強迫風冷作為主要的散熱方式，其設計思路簡單、易于實現(xiàn)，但表現(xiàn)出傳統(tǒng)強迫風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，無法滿足高功率密度、大耗散的設備冷卻需求。大功率低頻發(fā)信機整機內(nèi)部設備種類多、結構復雜、體積龐大，發(fā)熱器件眾多且發(fā)熱量大，發(fā)信機能否有效散熱對發(fā)信機長時間可靠工作具有重大意義[1]。本論文通過理論計算和樣機測試方式，對低頻功率放大器進行器件布局設計、液冷板設計、液體流量設計，以改善和提高其散熱效果及效率，從而實現(xiàn)功率放大器的小型化改進。

二、低頻功率放大器電路及熱結構設計

（一）低頻功率放大器主電路拓撲及功放器件的選擇

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

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

（二）低頻功率放大器的熱設計要求

系統(tǒng)對低頻功率放大器的熱設計要求如下：

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，結構緊湊，充分利用盒體空間；

④保證設備內(nèi)部溫度分布均勻，各關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，出水溫度要求T2≤40℃。

（三）低頻功率放大器熱結構設計

1.總體結構設計

低頻固態(tài)發(fā)信機功率容量達到兆瓦級，由許多低頻功率放大器同時工作輸出，因此需要整體考慮功率放大器的結構，以滿足多個功率放大器同時工作要求。整體結構設計單個功率放大器采用非標3U插箱式結構，再由一定數(shù)量的功率放大器組成一個機柜，最后由多個機柜組成發(fā)信機的功率放大部分。

低頻功率放大器插箱總體尺寸為長606 mm×寬637mm×高132.5mm。低頻功率放大器機箱均為鋁合金材質(zhì)，內(nèi)部所有結構件均為銅、鋁材質(zhì)，機箱盒體采用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)字保護驅動單元4個、指示電路1個、銅質(zhì)連接板若干、電感電容器等其他元器件若干組成。 除上述結構設計外，還需要考慮到整個功率放大器的散熱以及安全保護等方面的設計。

2.低頻功率放大器冷卻方式的選擇

電子設備熱設計時冷卻方法的選擇主要依據(jù)電子設備的熱流密度、體積功率及溫升。低頻功率放大器的機箱外殼均采用導熱系數(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箱側壁的散熱孔向機箱外排出，另一部分由主放大電路產(chǎn)生的熱量通過散熱裝置向機箱外排出。低頻功率放大器中的內(nèi)部組件如數(shù)字驅動保護單元、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，可以不考慮強制散熱。作為低頻功率放大器中的關鍵熱源主放大電路主要包括4個MOSFET場效應管模塊、6個二極管模塊、2個電阻模塊。

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

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

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

開關損耗Psw：

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

根據(jù)對主放大電路中各關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，總結得出主要關鍵器件功耗及其他相關參數(shù)表如表1所示。

由表1計算可得，主放大電路的總功耗約為2kW（考慮留有20%～30%的設計余量）。根據(jù)電路設計，對主放大電路中各器件進行排布后，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)一般的電子設備，溫升、熱流密度、冷卻方式關系，并結合密封的電子設備當溫升不超過40℃時，熱流密度和體積功率與冷卻方法的對應關系，考慮設備研發(fā)制造的可靠性、經(jīng)濟性等因素以及系統(tǒng)總體對設備在實際輸出功率、散熱效率、穩(wěn)定性及噪聲的要求，最終選擇強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計

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)電路設計的需求，選用矩形S形流道，將發(fā)熱量較大的大功率場效應管模塊布局在流道正上方，其他模塊按照電路的連接關系進行依次排布[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元器件均為貼裝式安裝，面-面接觸時的接觸電阻主要受加工面的平面度、表面粗糙度以及面-面間導熱材料性能等因素有關，要對以上影響因素進行嚴格控制。

在大功率場效應管模塊等元器件安裝時，不采用任何措施兩者之間會產(chǎn)生很大的接觸熱阻。本論文中選用導熱硅脂作為界面填充材料。在主放大電路中的各個元器件進行安裝時，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，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關鍵元器件的表面平均溫度進行熱測試，對冷卻方法的有效性進行評價[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計方案可以滿足系統(tǒng)總體的設計要求。但是個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到更加優(yōu)異的設計[5]。

四、結束語

本論文對30kW低頻功率放大器進行了熱結構設計和熱測試實驗， 建立了30kW低頻功率放大器的熱結構，對低頻功率放大器主放大電路的主要熱源、散熱情況進行了計算分析，選擇液冷作為其主要散熱方式，并設計了液冷冷板，經(jīng)測試各項指標滿足要求。

作者單位：宋光明 中國人民解放軍91977部隊

參 ?考 ?文 ?獻

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