均热板在大功率功放的应用研究

曹莹

摘   要：散熱问题已成为大功率功放设备可靠性的瓶颈问题。文章针对均热板散热器在某大功率功放模块中的应用进行了设计优化和研究分析。经过实验验证，结果表明了优化后的均热板散热效果良好，能有效解决大功率功放模块高热流密度所导致的散热问题。同时，对内嵌双均热板的均热板散热器在其他产品的工程应用中具有借鉴意义。

关键词：均热板;大功率功放;高热流密度;散热器

末级功放管是大功率功放设备的核心器件，工作时热流密度极高，已达到了10～30 W/cm2，有些甚至超过了100 W/cm2。散热不良将会造成整个设备性能参数下降，甚至烧毁功放管[1]。虽然近年来功放管的设计制造已有较大的提升，可靠性越做越好，但是功放管散热问题仍然是制约大功率功放设备发展的瓶颈问题。

1    功放模块热设计

某功放模块是某发射机的核心模块。模块内含4个大功率功放管，根据测算，单个功放管最大发热耗散功率为250 W，整模块热耗最大超过1 000 W。

功放管的最大管壳接触传热面积为：S=4.128× 1.029=4.25 cm2;热流密度Q=250÷4.25=58.8 W/cm2。单器件热流密度较高，需使用散热器作为大功率器件的导热元件，并采用强迫对流散热。

2    均热板设计

均热板作为一种新型的导热元件，因其高效和均匀导热的特点，在功放产品中得到了越来越多的应用[2]。

考虑到小型化和热设计的需要，功放模块采用共用风道的结构设计方案，如图1所示。中间两块散热器对立安装，两侧各布一块功放板，功放板上有两个功放管，每块功放板热耗500 W。模块尾端安装有风机，形成从前至后的风流，将散热器翅片的热量带走。

在正常工作条件下，器件的最大安全运行温度（结温Tjmax）为225 ℃。考虑器件降额使用的要求，关键器件（即功放管）的最大结温降额80%，即结温不得超过180 ℃。

假设散热器温度Ts为80 ℃时，芯片可以正常工作：

反向推算，当结温为180 ℃时的散热器温度应该小于：

此时计算功放管的外壳温度为：

因此，功放模块在最高环境温度55 ℃的条件下，其功放管管壳最高温度需小于155 ℃。

对安装均温板散热器的功放模块进行热仿真，环境温度为55 ℃。风机设置为最大风量192 CFM，最大风压为142.1 Pa。均热板等效导热系数设为2 000 W/（m·k）。功放模块的仿真结果如图2所示。

从仿真云图上看，环境温度55 ℃，单功放管250 W时，功放管最高壳温为118 ℃，小于器件允许的最高壳温155 ℃，理论上可满足要求。

3    试验验证

测试采用热控测试设备和自制工装，工装选用两块散热器翅片相对安装，热源分布在工装两侧。具体结果如表1所示。

表1中的序号1，2，3为常温25 ℃的温度测试结果。从测试结果看，芯片2和芯片4的散热效果达到要求，芯片1和芯片3在常温250 W的热耗条件下开始出现了均热板局部失效现象，热耗300 W时失效更加明显。

经过分析发现，布置在均温板上的两块热源位置相距较近，由于重力的作用，下方的热源形成的蒸汽上升至上方的热源处，两股热源耦合，从而导致均热板局部出现失效，无法进行气液两相循环。对均热板进行改进，将均热板散热器的均热板分成两块，每一块对应一个热源，从而将两块热源对应的毛细流道进行物料隔离，降低热耦合的影响。

将改进后的装置进行测试，测试结果如表1中的序号4，5，6所示，均热板散热器的散热效果满足要求，未出现失效现象。

为了进一步验证均热板散热器在极限条件下的散热效果，将上述的自制工装放入恒温箱中，环境温度设置为55 ℃，通过热控测试设备进行了测试。

表1中序号7，8，9为改进后的测试装置在平均热耗200 W，225 W，250 W，环境温度55 ℃条件下的温度测试结果。从测试结果看，环境温度55 ℃，单功放管250 W时，功放管最高壳温为128 ℃，小于器件允许的最高壳温155 ℃。因此，改进后的均热板散热器能满足功放模块的使用要求。

4    结语

测试结果表明，改进后的均热板散热器能解决大功率功放模块的高热流密度所导致的散热不良问题。通过将测试数据和仿真结果对比，测试数据比仿真结果高达5～10 ℃。表明在仿真过程中，均热板模型的等效导热系数设置过于理想化，实际的均热板受制于铜烧结技术等制造工艺的影响，导热效果难以达到均热板的理论设计值，建议可将均热板导热系数设置为1 000～1 500 W/（m.k）并进行仿真。

[参考文献]

[1]李雪光，李新胜.车载式全固态发射机结构与热设计[J].电子机械工程，2013（5）：8-12.

[2]赵亮，田沣，杨龙.均热板散热性能实验研究[J].机械工程师，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