一种功率放大器的散热结构及其制备方法

技术领域

本发明属于固态功率放大器技术领域，尤其是涉及一种功率放大器的散热结构及其制备方法。

背景技术

散热问题是功率放大器设计的一个关键问题，功率管结温与其可靠性密切相关，功率管平均无故障工作时间随结温增加呈指数减少趋势，结温高于一定数值还会导致功率管受到不可逆的损坏以至烧毁功率放大器。由于功率管热流密度高，散热压力大，一直是制约固态功率放大器的功率进一步做大的关键因素。

目前采用的常规散热方式有以下几种：a)功率管采用涂抹导热脂的方式安装在功率放大器内部，功率放大器使用导热脂安装在散热载版上；b)功率管采用垫铟锡合金片的方式安装在功率放大器内部，功率放大器使用导热脂安装在散热载版上；c)功率管采用共晶的方式安装在功率放大器内部，功率放大器使用导热脂安装在散热载版上。如图1所示。

上述三种散热方式存在以下的缺点，包括：a)导热脂经过长时间的使用后，会变成粉末状，影响散热效果；b)存在两层的接触热阻，包括功率管到功率放大器的接触热阻和功率放大器到散热载版的接触热阻；c)共晶使用的面积有限，一般仅适用于管芯类功率器件，不适用于大尺寸的封装类功率管的安装。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种功率放大器的散热结构及其制备方法。使冷却液深入集成在腔体内部，可以实现高效散热；同时将功率管直接固定在功率放大器内底壁位于盖板上面，直接消除了功率管和功率放大器之间的接触热阻。

为此，本发明第一方面提供了一种功率放大器的散热结构，包括功率放大器，所述功率放大器内底壁开设有腔体，所述腔体上侧密封设置有盖板，所述盖板与功率放大器内底壁形成同一平面；所述腔体连通连接有液冷组件，所述功率放大器内底壁位于盖板上面直接固定功率管。

在本发明的一些实施方式中，所述腔体内设置有通道，所述通道与腔体形状相适配。

在本发明的一些实施方式中，所述通道上间隔设置有多个容置腔，所述容置腔与通道相连通。

在本发明的一些实施方式中，所述盖板与腔体形状相适配，所述盖板底壁固定有多组微流道，所述微流道与容置腔相适配。

在本发明的一些实施方式中，每组所述微流道包括若干流道，每一所述流道的直径为0.3-0.6mm。

根据本发明，每一所述流道的直径为0.5mm。

在本发明的一些实施方式中，所述腔体和盖板为门字形结构，所述腔体和盖板与功率管形状边缘相适配。

在本发明的一些实施方式中，所述液冷组件包括制冷机、第一液冷连接器和第二液冷连接器，所述第一液冷连接器安装在盖板一端，与腔体一端连通，所述第二液冷连接器安装在盖板另一端，与腔体另一端连通。

在本发明的一些实施方式中，所述第一液冷连接器与制冷机出口连通连接，所述第二液冷连接器与制冷机入口连通连接。

本发明第二方面提供了一种如本发明第一方面所述的散热结构的制备方法，通过机械加工形成相适配的腔体和盖板，再将盖板密封固定在腔体上侧形成整体结构，然后在盖板顶壁机械加工出安装功率管的凹槽，安装固定功率管，在盖板两端机械加工出安装孔，分别安装固定第一液冷连接器和第二液冷连接器，再将第一液冷连接器与制冷机出口连通连接，第二液冷连接器与制冷机入口连通连接。

在本发明的一些实施方式中，所述将盖板密封固定在腔体上侧形成整体结构后进行热处理强化，达到T6状态。

在本发明的一些实施方式中，所述盖板通过整体钎焊密封固定在腔体上侧形成整体结构。

在本发明的一些实施方式中，所述功率管焊接固定在功率放大器内底壁位于盖板上面。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供一种功率放大器的散热结构，使冷却液深入集成在腔体内部，可以直接接触到高热流密度热点区域，实现功率管热能的高效收集，通过冷却液流动将热量迅速带离热源区域，从而实现高效散热；同时将功率管直接固定在功率放大器内底壁位于盖板上面，直接消除了功率管和功率放大器之间的接触热阻。

(2)本发明提供一种功率放大器的散热结构，盖板两端分别安装固定第一液冷连接器和第二液冷连接器，可以不再使用散热载板，直接消除了功率放大器和散热载板的接触热阻。

(3)本发明提供的一种功率放大器的散热结构，适用于大功率固态功率放大器的散热，可以满足固态功率放大器连续波输出1000W以上，单路微波功率放大器输出200W以上的要求。

附图说明

图1为本发明背景技术提供的现有功率放大器的结构示意图。

图2为本发明提供的一种功率放大器的散热结构的结构示意图。

图3为本发明提供的一种功率放大器的散热结构的腔体的结构示意图。

图4为本发明提供的一种功率放大器的散热结构的盖板的结构示意图。

图5为本发明提供的一种功率放大器的散热结构的俯视图。

图6为图4中A的放大图。

图7为实验例1中4个300W功率管的热仿真图。

图8为实验例2中功率放大器的实物热成像图。

附图标记：1-功率放大器，2-腔体，21-通道，22-容置腔，3-盖板，31-微流道，4-液冷组件，41-第一液冷连接器，42-第二液冷连接器，5-功率管，6-导热脂，7-铟锡合金，8-散热载板。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。

实施例1

请参阅图1-6，本实施例提供了一种功率放大器的散热结构，包括功率放大器1，所述功率放大器1内底壁开设有腔体2，所述腔体2上侧密封设置有盖板3，所述盖板3与功率放大器1内底壁形成同一平面；所述腔体2连通连接有液冷组件4，所述功率放大器1内底壁位于盖板3上面直接固定功率管5。

使冷却液深入集成在腔体2内部，可以直接接触到高热流密度热点区域，实现功率管5热能的高效收集，通过冷却液流动将热量迅速带离热源区域，从而实现高效散热；同时将功率管5直接固定在功率放大器1内底壁位于盖板3上面，直接消除了功率管5和功率放大器1之间的接触热

在本实施例中，所述腔体2内设置有通道21，所述通道21与腔体2形状相适配。

在本实施例中，所述通道21上间隔设置有多个容置腔22，所述容置腔22与通道21相连通。所述盖板3与腔体2形状相适配，所述盖板3底壁固定有多组微流道31，所述微流道31与容置腔22相适配。便于将多组微流道31分别嵌入各适配的容置腔22中，盖板3密封固定在腔体2上侧形成整体结构。

在本实施例中，每组所述微流道31包括若干流道，每一所述流道的直径为0.5mm。在其他实施例中，每一所述流道的直径也可以为0.3mm、0.4mm或0.6mm。冷却液流经微流道31时，经过每个流道使流速降低，延长流经时间，即延长冷却时间，使冷却散热更高效。

在本实施例中，所述腔体2和盖板3为门字形结构，所述腔体2和盖板3与功率管5形状边缘相适配。利于功率管5固定在盖板3上，且使功率管5大部分能与盖板3接触冷却，使冷却散热效率更高。

在本实施例中，所述液冷组件4包括制冷机、第一液冷连接器41和第二液冷连接器42，所述第一液冷连接器41安装在盖板3一端，与腔体2一端连通，所述第二液冷连接器42安装在盖板3另一端，与腔体2另一端连通。所述第一液冷连接器41与制冷机出口连通连接，所述第二液冷连接器42与制冷机入口连通连接。通过制冷机出口将冷却液经第一液冷连接器41输入腔体2内，冷却液在腔体2内流动将热量迅速带离热源区域，吸取了热量的冷却液再经第二液冷连接器42进入制冷机，实现高效散热。

实施例2

请参阅图1-6，本实施例提供了一种功率放大器的散热结构的制备方法，通过机械加工形成相适配的腔体2和盖板3，再将盖板3密封固定在腔体2上侧形成整体结构，然后在盖板3顶壁机械加工出安装功率管5的凹槽，安装固定功率管5，在盖板3两端机械加工出安装孔，分别安装固定第一液冷连接器41和第二液冷连接器42，再将第一液冷连接器41与制冷机出口连通连接，第二液冷连接器42与制冷机入口连通连接。

在盖板3顶壁机械加工出安装功率管5的凹槽安装固定功率管5，可以直接消除功率管5和功率放大器1之间的接触热阻；盖板3两端机械加工出安装孔分别安装固定第一液冷连接器41和第二液冷连接器42，可以不再使用散热载板8，直接消除了功率放大器1和散热载板8的接触热阻。

在本实施例中，所述将盖板3密封固定在腔体2上侧形成整体结构后进行热处理强化，达到T6状态。

在本实施例中，所述盖板3通过整体钎焊密封固定在腔体2上侧形成整体结构。

在本实施例中，所述功率管5焊接固定在功率放大器1内底壁位于盖板3上面。

实验例1

本实施例设计了P波段输出800W的固态功率放大器装置，并按本发明实施例2提供的制备方法设置散热结构和4个300W的功率管进行热仿真实验。热仿真图如图7所示。

如图7结果可以看出，最高壳温范围为90℃-95℃，温差不超过5℃，考虑结壳热阻0.19℃/W，结温范围为161.55℃-165.8℃，满足GJBz-35规定的三级降额要求。

实验例2

本实施例对实验例1提供的P波段输出800W的固态功率放大器装置进行实测温度。结果如图8所示。

如图8结果可以看出，实测的功率管温度为96.1℃,与实验例1热仿真所得的温度相近。此时功率管输出300W，效率45％，热耗366.7W，环境温度为25℃左右，散热条件为液冷。功率管的热接触面积约为3cm

说明本发明采用将功率管直接焊接固定在功率放大器内底壁的方式能有效地处理目前的热流密度，可以将内部的热量导出。同时采用本发明提供的散热结构可以大大改善散热的压力，使得功率放大器实现单路200W以上的输出能力。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。