微波大功率放大器系统的热设计

微波大功率放大器系统的热设计
发布时间：2021-05-19T11:41:41.540Z 来源：《基层建设》2020年第31期作者：范中建1 俞忠武2 [导读] 摘要：热设计是大功率放大器设计最重要的方面。

1南京大桥机器有限公司；2空军装备部驻南京地区第二军事代表室
摘要：热设计是大功率放大器设计最重要的方面。

本文以我们最近设计研制成功的L波段500瓦线性连续波功率放大器系统来说明微波功率放大器热设计的步骤和注意事项。

微波放大器系统采用强迫风冷，文中对这一冷却方式进行了深入探讨，着重探讨对微波功率放大器性能的影响和保护措施。

1引言
随着微波固态器件和系统的发展，其体积逐渐缩小，功率却在增加，热流密度急剧增加，使热设计成为器件、设备和系统可靠性设计的一项主要内容。

我们设计的放大器为L波段带宽120MHz连续波500瓦准线性功率放大器，其是我所有史以来最大的连续波线性功率放大器，因此其热设计也将对我们提出更高的要求。

其设计成功的经验可直接推广到其它功率器件和放大系统的设计上去。

2设计与方案确定
2.1放大器电原理图的初步设计
（虚线为信号控制线，实线为微波通路）
推动级输出功率为线性50W，推动四个输出功率185W微波功率单块。

由电路原理图可以看出，热量主要集中分布在四个大功率器件集中的功放单块中。

2.2放大器的热设计步骤
2.2.1首先通过电路的发热器件确定发热总量以确定采取何种散热方式
功放单块电路示意图2，功放单块应用6只线性50WFET，由于放大器功率管工作于A类状态，放大器最恶劣的工作条件为静态工作状态，即无微波信号输入。

此状态下系统的发热主要来源于微波FET的静态电压和静态电流。

总热量为：11V（FET工作电压）×10A（FET静态电流）×6（FET数量）＝660W
散热总面积：22（cm）×52（cm）＝1144cm2=0.1144m2
热流密度：660 W÷1144 cm2＝0.577W/ cm2
确定热流密度是决定冷却方式的重要手段。

通过单位面积的最大功耗表格，找出合适的冷却技术散热方式。

下表显示了我们比较通用的热流密度和采取冷却方式的对应关系。

（此表在热设计中非常重要）
由表中可以看出，我们只能采用空气冷却板的冷却方式。

气冷式冷板的功率密度：1.55W/cm2。

其大于我们所确定系统的热流密度。

选择空气冷板是合适的。

2.2.2功放单块的热设计
功放单块的热设计主要集中在根据器件散热性能确定其平面空间分布位置以及如何采取有效的方式确保相对贵重的功率器件的可靠性。

通过热流密度我们确定了采用空气冷却板的冷却方式。

为避免功率产生的热量过于集中，功率FET管应均匀的发布于盒体中。

分布如下页图。

由图中可以看出，功率FET管均匀的发布于盒体中，其产生的热量通过散热片传导到空气冷板片，通过风将热量带走。

为保护器件不受损坏，必须通过计算加热敏开关，当温度超出器件的最大结温时，热敏开关断开电路，保护系统的固态器件。

查器件手册知，功率FET管的热阻为：1.2℃/W，因此功率FET管的最大温升为：
0.8℃/W×[11V（FET工作电压）×10A（FET静态电流）]（每个器件产生的热量）＝88℃
器件的最大沟道温度为：175℃
因此外界的温度不能超过：175℃－88℃＝87℃
为确保计算误差和提高可靠性，因此外界的温度应不超过70℃，在每个功放单块均加上一个温度继电器，当温度超过保护温度时，自动断电，确保功率FET工作温度不超过结温。

当然，我们必须在放大器单块安装应尽量减小接触热阻，遵循的原则有：加大接触表面之间的压力；提高两个接触面的加工精度；接触表面之间加导热衬垫或导热脂；在结构强度许可的条件下，选用软的金属材料制作散热器或器件的壳体。

2.2.3功放系统盒体的热设计
功放系统箱体的热设计主要集中在热量的计算和风机的选择。

微波大功率放大器系统箱体的热设计是一个矛盾的问题：即要保证足够的风力和散热空间，又必须考虑到箱体和风机的体积和效率。

因此这是一个必须经过仔细计算的工程。

2.2.
3.1确定空气的质量流量
空气吸收的热量可用下式计算：
Ø＝qmCPΔt（Ø空气吸收的热流量；qm空气的质量流量；CP定压比热；Δt空气的温升）
空气的质量流量由下式计算：
qm＝qvp（qv空气的体积流量；p空气密度）
代入数值：Ø＝660×4.5-Q（散热片对空间辐射与对流=3000*0.1144*6）＝910W
热平衡后冷板的平衡热量方程为：Ø = qm CPΔt
CP=1005J/（kg*℃）
Δt＝20℃
可以得出qm＝Ø/（CPΔt）=910/（1005*20））=0.045Kg/S
2.2.
3.2确定风机的风量和流速
干燥空气的密度为ρ＝1.293*10-3 kg/m3
空气的体积流量qv＝qm/ρ=0.045/1.293*10-3=35m3/S
传导的面积为：0.1144*5*20=11.4m2
因此冷板表面传输的风速必须大于：qv/S=3m/S
由此我们确定出使用6个220V交流电压60W的扇页直径为0.18m的交流轴流风机并行排开，风口的风速超过50 m/S，以确保冷板表面传输的风速大于3m/S。

2.2.
3.2确定机柜吹风口
在进行此项工作需遵循的一些原则：进气孔设置在机箱下侧或底部；排气孔设置在机箱顶部，机箱上端边缘是首先选择的位置；使冷却空气从热源中间流过，防止气流短路；进气孔应设置过滤网，并考虑过滤网的阻力损失；抽风比鼓风好。

依据这些原则设计出合理的机柜进气孔和排气孔。

3结果和意义
在以上原则和指导下，我们完成了L波段500W线性连续波功率放大器的热设计，系统在完成静态24小时老化，表面温度测量时不超过45℃，放大系统在工作条件下，完成24小时老化后，表面温度测量时不超过42℃，微波性能不恶化（外界温度为室温条件）。

在与用户联机完成室外24小时老化后，放大系统的表面温度未超过50℃，系统的微波性能满足用户的要求，证明此热设计是合理的。

系统的外形图如下所示：
在完成此项目后，我们深切的感觉到，放大器的设计，尤其是大功率放大器的设计，如何顺利合理完成热设计是保证放大器稳定可靠
工作的顺利一环。

过去，我们在做放大器时往往只停留在如何提高放大器的微波性能，而很少考虑系统的整体热设计，只是认为尽量进行冗余设计，将散热片和风要的最大，以至于经常体积很大，不满足用户要求；或散热不够，损坏器件，缺乏整体观念。

随着我们放大器系统的提升，我们必须提高放大器热设计的整体设计。

这无论对我们自己设计整机系统或提高我们为整机系统配套都将提高我们的竞争实力。

我们也刚刚开始这项工作，其中也许存在错误，欢迎指正讨论。