来源:中国新通信
摘要：本文介绍了一种基于大功率低频功率放大器集成度高、大功耗器件使用和产品体积小型化的特点，采用液冷冷却方式的设计方案。这种设计方案有效地解决了大功率放大器空间小、热源集中、散热量大的问题，使低频功率放大器能够可靠地工作。经过样机测试，结果显示液冷散热能够满足大功率低频放大器的散热需求，表现出好的效果。这是一个非常实用和有效的技术，值得在实际应用中进一步推广和应用。
关键词：低频功率放大器；热源模型；热分析；热测试
一、引言
目前低频通信领域内大功率发信机普遍使用强迫风冷作为主要的散热方式，其设计思路简单、易于实现，但表现出传统强迫风冷方式的散热效率低、散热器体积庞大、噪声大、可靠性差等缺点，无法满足高功率密度、大耗散的设备冷却需求。大功率低频发信机整机内部设备种类多、结构复杂、体积庞大，发热器件众多且发热量大，发信机能否有效散热对发信机长时间可靠工作具有重大意义。本论文通过理论计算和样机测试方式，对低频功率放大器进行器件布局设计、液冷板设计、液体流量设计，以改善和提高其散热效果及效率，从而实现功率放大器的小型化改进。
二、低频功率放大器电路及热结构设计
（一）低频功率放大器主电路拓扑及功放器件的选择
低频功率放大器电路形式采用经典的“H”桥开关电路形式，通过直流高压的调整达到输出功率的变化，满足技术指标中功率可调整要求。主电路器件包括四个大功率场效应管模块，6个反向并联的二极管模块，2个电阻模块。
场效应管（MOSFET）适用于宽频段、移频状态工作，可很好适应阻性、容性、感性负载，符合低频固态发信机特点，低频功率放大器中的功率开关管选用大功率场效应管（MOSFET）模块，根据功放单元功率等级、效率需求，并经过对大功率场效应管（MOSFET）模块的实际测试用低频功率放大器选用型号为 APTM100UM45DAG 的大功率场效应管（MOSFET）模块作为其主要的功率开关器件。
（二）低频功率放大器的热设计要求
系统对低频功率放大器的热设计要求如下：
①全频段稳定输出功率≥ 30kW；
②全频段 η ≥ 95%；
③满足系统小型化要求，结构紧凑，充分利用盒体空间；
④保证设备内部温度分布均匀，各关键元器件均能正常稳定长期工作；
⑤冷却水入口温度 T1 为 25℃时，出水温度要求T2 ≤ 40℃。
（三）低频功率放大器热结构设计
1.总体结构设计
低频固态发信机功率容量达到兆瓦级，由许多低频功率放大器同时工作输出，因此需要整体考虑功率放大器的结构，以满足多个功率放大器同时工作要求。整体结构设计单个功率放大器采用非标 3U 插箱式结构，再由一定数量的功率放大器组成一个机柜，最后由多个机柜组成发信机的功率放大部分。低频功率放大器插箱总体尺寸为长606 mm×宽637 mm×高132.5 mm。低频功率放大器机箱均为铝合金材质，内部所有结构件均为铜、铝材质，机箱盒体采用2 mm 厚的铝合金（LF2-M）折弯焊接加工而成。其中内部组件主要有主放大电路、散热装置 1 套、数字保护驱动单元 4 个、指示电路 1 个、铜质连接板若干、电感电容器等其他元器件若干组成。除上述结构设计外，还需要考虑到整个功率放大器的散热以及安全保护等方面的设计。
2.低频功率放大器冷却方式的选择
电子设备热设计时冷却方法的选择主要依据电子设备的热流密度、体积功率及温升。低频功率放大器的机箱外壳均采用导热系数良好的铝作为主要材质，其内部组件产生的热量一部分自然散热通过机箱侧壁的散热孔向机箱外排出，另一部分由主放大电路产生的热量通过 散热装置向机箱外排出。低频功率放大器中的内部组件如数字驱动保护单元、指示电路等所产生的热量相对于主放大电路而言很小，通过自然散热即可满足其工作要求，可以不考虑强制散热。作为低频功率放大器中的关键热源主放大电路主要包括4个 MOSFET 场效应管模块、6个二极管模块、2个电阻模块。
功率放大器耗散功率的计算主要是对 MOSFET 场效应管模块的耗散功率进行计算，而对于二极管模块以及电阻模块，它们的平均功耗较小，按照相关方面使用经验对其进行适当的估算即可。对于 MOSFET 场效应管模块，计算其在最大工作频率满功率工作时最大直流输入电压 Uin=450V下的耗散功率，通过电路设计在最大输入电压为Uin=450V 时，直流输入电流为 Iin=70A，直流输入功率Pin=VI=450×70=31.5kW。
MOSFET 场效应管模块的驱动损耗是由基极电阻引起的，驱动电流很小，所以驱动损耗常忽略不计。通过对 APTM100UM45DAG 型场效应管模块的相关工作曲线的查阅得到，当其在最高工作频率最大直流输入电压Uin=450V 时，其漏源通态电阻RDS(ON)=95mΩ、开通时的能量损耗 Eon=4mJ、关断时的能量损耗 Eoff=2mJ、工作结温 Tj =75℃。因此 APTM100UM45DAG 型场效应管模块的通态损耗 Pcond 为：
由 MOSFET 场效应管的工作特性可知每只 MOSFET的通态损耗基本一致，开关损耗按其进行合理的统一化即设定 4 只 MOSFET 场效应管模块的开关损耗相同。综上所述，单只 MOSFET 场效应管模块的最大耗散功率为 226W。考虑到 MOSFET 场效应管外围电路及连接线等损耗，对于电子元器件的计算需散热的功耗适当增大，对于单只 MOSFET 场效应管模块的最大耗散功率取300W。
根据对主放大电路中各关键元器件样本资料的查阅以及对二极管模块和电阻模块功耗的估算，总结得出主要关键器件功耗及其他相关参数表如表 1 所示。
由表 1 计算可得，主放大电路的总功耗约为 2kW （考虑留有 20% ～ 30% 的设计余量）。根据电路设计， 对主放大电路中各器件进行排布后，主放大电路所占空间大小约 36.5cm×27.55cm×2.6cm，体积功率密度：ФV=ψ/V=2000/(36.5×27.55×2.6)=0.756W/cm3 ，热流密度：Ø=2000/2/(36.5×27.55+36.5×2.6+27.55×2.6)=0.85W/cm2 。
为保证主放大电路内关键器件的可靠稳定工作，要求环境温差不超过 15℃，根据一般的电子设备，温升、热流密度、冷却方式关系 , 并结合密封的电子设备当温升不超过 40℃时，热流密度和体积功率与冷却方法的对应关系 , 考虑设备研发制造的可靠性、经济性等因素以及系统总体对设备在实际输出功率、散热效率、稳定性及噪声的要求，最终选择强迫液冷作为低频功率放大器主要的散热方式。
3.低频功率放大器液冷设计
低频功率放大器的液冷冷板基材选用铝材 (Al6061)，管道材质选用导热率更高的铜材 ( 纯铜 )，冷却介质选用最常用且散热效果最好的水。根据电路设计的需求，选用矩形 S 形流道，将发热量较大的大功率场效应管模块布局在流道正上方，其他模块按照电路的连接关系进行依次排布。低频功率放大器的液冷冷板及其上元器件安装位置示意图如图 1 所示。
主放大电路板上各模块的最佳工作温度在25～50℃。将入口温度 T1 设置为 25℃，出水温度要求 T2 ≤ 40℃。已知液冷冷板内流道的直径为 9.5mm，冷板散热功率Q为2kW。将冷板流体的平均温度作为它的定性温度 Tf=(T1+T2)/2=32.5℃。
流道横截面积：
查表知在 32.5℃下，水的比热容 Cp=4178J/(kg·K)，水的密度 ρ=995kg/m3 。
流体的流量：
流体的流速：
主放大电路中的各个元器件均为贴装式安装，面-面接触时的接触电阻主要受加工面的平面度、表面粗糙度以及面-面间导热材料性能等因素有关，要对以上影响因素进行严格控制。
在大功率场效应管模块等元器件安装时，不采用任何措施两者之间会产生很大的接触热阻。本论文中选用导热硅脂作为界面填充材料。在主放大电路中的各个元器件进行安装时，先将元器件和冷板的贴装表面清理干净，避免有杂质或者油污，之后在元器件的贴装表面上均匀地涂抹一定厚度的导热硅脂，再将元器件安装在冷板上。
三、热测试
本论文中的热测试试验，主要是模拟低频功率放大器的工作环境，使其可以在各频段正常输出功率，在此条件下运用热电偶温度传感器测试法以及红外温度测试法分别对低频功率放大器液冷冷板的出水温度及各个关键元器件的表面平均温度进行热测试，对冷却方法的有效性进行评价。根据系统总体对低频功率放大器在全频段上工作稳定可靠的要求，热测试试验需测试低频功率放大器在各频段下水冷板的散热效果。
通过热测试试验发现，目前低频功率放大器主放大电路及其水冷板的热设计方案可以满足系统总体的设计要求。但是个别元器件的平均温度未在其最佳工作温度25～50℃之间，通过仿真优化在冷板材料、流体流速等方面以达到更加优异的设计。
四、结束语
本论文对 30kW 低频功率放大器进行了热结构设计和热测试实验， 建立了30kW低频功率放大器的热结构，对低频功率放大器主放大电路的主要热源、散热情况进行了计算分析，选择液冷作为其主要散热方式，并设计了液冷冷板，经测试各项指标满足要求。