采用大功率mosfet管功率放大器模块的热设计

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1、【技术纵横】2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会采用大功率MOSFET管功率放大器模块的热设计夏立新(中国人民解放军第六九零九工厂设计所，江苏昆山215300)xialx6909摘 要：主要阐述了采用大功率MOSFET管功率放大器热设计的原则、方法和步骤，结合具体的工程应用，介绍了多种冷却降温措施，重点突出了散热器的理论计算过程。   关键词：冷却；大功率；热设计；步骤；过程；措施某功放拟采用国际最新功率器件——场效应晶体管(MOSFET)作为高频功率放大器件。功放的主要包括若干500W功放模块，50V160A开关电源等部分，采用模块化设计。本文论述的重

2、点是单个放大器模块的热设计过程。1热设计的原则1.1热设计必须与电气设计、结构设计同时进行，相互兼顾；热控制系统的分析、计算，应与模拟试验相结合；所设计的热控制系统，应具有充分的应变能力；热控制系统，应是结构简单、可靠，工艺成熟易行，具有较好的经济性；所设计的热控制系统，应符合相关的规范、标准和指导性文件的规定。1.2热设计就是围绕着最大安全温度进行设计。最安全温度是根据功放单机的可靠性指标，按照可靠性理论来选取。将整机的可靠性指标按照应力分析法分配到放大器的元器件，根据使用状况最恶劣的元器件（在该功放中是功率管）所允许的失效率确定元器件的许用结温[Tj]，作为元

3、器件的最大安全温度。2分析整机结构输出功率为500W功放模块主要由功率放大单元、功率分配器、功率合成器、散热器、模块控制板等组成。效率不低于30%，要求能在+55℃的高温环境下正常工作。由于电子设备热设计的因素很多，在热设计计算过程中，我们应该抓住其主要矛盾，因此作出如下假设：l热负荷均匀分部在散热器上；l功率器件到功率模块的底板，模块的底板到散热器均为一维稳态导热。 冷却方式是根据质量因素热耗体积密度来选择。还需要考虑的典型因素有：热阻、重量、维护要求或维修性、可靠性、费用、制造容差、热效能、效率或有效系数、环境适应性、环保、尺寸、复杂性、功耗及对设备电性能的影

4、响。由于功放单机的热流密度超过0.08W/cm2，体积功率密度超过0.18W/cm3。因此，采用轴流风机强迫风冷散热，散热器选用钎焊成型的带散热片的散热器。2.1整机散热核算整机所需的风量应等于各单元发热元件所需的风量之总和，热负荷Q=W／η－W（W为输出功率，η为整机效率），空气的出口温度应根据单元内各元件的允许温度来确定。环境温度：+55℃空气在压力为1.01×105Pa时的物性参数：l热负荷Q0(kcal／h)l密度ρ=1.06kg/m3l比热Cp=1005kcal/kg·℃35【技术纵横】2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会冷却空气温升预计△t1=8

5、-15空气流量Vo1=Q/(Cp×△t1×ρ)（m3/h）这种风量的计算方法忽略了机柜四周对大气的辐射和自然对流换热散去的热量（假设机柜表面的温度高于周围的环境温度），因此所得风量偏大。在精确计算时，应把这两项所散去的热量从总热量中减去，再求所需的风量。通常在强迫风冷时，辐射与自然对流散热约占总散热量的10％左右。因此Q0=Q－Q×10%=0.9Q根据热平衡方程:Q0=(Cp×△t1×ρ)Vo1即可求出冷却空气流量Vo1，可作为核算单模块空气流量的参考值。1.1 单模块的分析确定传热途径：导热、对流、辐射及其相应的热阻；按发热元件至散热空间的热流方向，

6、绘制等效热路图；计算各类热阻值；建立热平衡方程式，拟制计算程序，解出各节点的温度值，分析温度分布特性；检查各温度值是否超过许用温度，如不满足，应修改参数重新进行分析计算，直至达到控温指标为止；冷却方式及散热器的选择1.1.1主要热源末级功率放大器使用MACOM公司生产的高功率MOSFET功率管作为功率放大器件。功率管的热设计技术参数如下：l结温（Tj）：200℃l内阻（Rj）：0.13℃/Wl标称额定功率（P0）：600Wl使用功率（P）：300Wl效率（η）：40％，典型45%l耗散功率（Q）：Q=P/η-Pl满足可靠性指标时的结温不大于140℃。功率管的功耗是

7、主要的热量来源，在满足性能要求的同时，为了最大限度地减少设备内部产生的热量，有效地减少温升、降低失效率，对功率管降额使用，就是在实际应用时，使功率管在低于其额定参数(使用功率为额定功率的50%)的条件下工作。1.1.2热设计模型热设计模型在此处仅仅包括热模型。1.1.2.1散热模型散热模型由热传导模型和强迫对流模型串联而成。图1是散热模型示意图，当热量传导到散热器上后，热量通过散热器的风道内的冷却空气将热量带到单机外部。35【技术纵横】2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会图1导热模型lTj—功率管的结温（℃）lRj—功率管的内阻（℃/W）lTk—功率管的壳温

8、（℃）lR