某型雷达固态发射机中末级组件的热设计

发表时间:2020/7/23   来源:《科学与技术》2020年2月6期   作者:余晗 杨天波 范超 聂瑞 查倩
[导读] 某型雷达固态发射机中的末级组件使用多只功率晶体管进行功率合成
         摘要:某型雷达固态发射机中的末级组件使用多只功率晶体管进行功率合成,该末级组件功率晶体管热设计功耗为220W。末级组件作为该型雷达发射机研制的关键技术之一,对其进行热设计对该型雷达固态发射机的性能和可靠性有着重要影响。通过仿真软件FloEFD对末级组件进行热分析,验证该末级组件热设计的合理性。
         关键词:固态发射机、末级组件、热设计、FloEFD
0引言
         在现代雷达的发展过程中,新型半导体材料不断的被用于固态雷达发射机的末级组件中。由于第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有临界击穿电场高和宽带隙等突出优点,GaN功率晶体管成为发展较快的宽禁带器件[1]。某型雷达固态发射机的末级组件使用多只GaN功率晶体管模块进行功率合成,该GaN功率晶体管模块热设计功耗共220W,考虑到其他微波器件,该末级组件热设计功耗达377W。“10℃法则”指出:半导体器件的温度每升高10℃,其可靠性降低50%;电子设备温度每降低1℃,其失效率将下降4%[2]。因此对末级组件进行热设计,使得末级组件上的热量能够尽快地传递出去,能够有效地提高固态发射机中末级组件的性能和可靠性。
1问题描述
         某型雷达固态发射机中的末级组件主要由600W模块、200W模块、隔离器、合成器和功分器组成,如图1所示。其与前级组件构成了该型雷达的固态发射机。

图1末级组件示意图
         由于该型雷达自正式交付始需要全时段开机工作,这就要求该固态发射机在常温(25℃)下工作时,固态发射机中的末级组件及其微波器件最大结温不超过65℃。而该末级组件在全功率工作时,其主要热量来源于安装在其上的微波器件,各微波器件热设计功耗如表1所示。
表1 末级组件中各微波器件和前级组件热设计功耗

2设计方案
    该型雷达固态发射机的末级组件在工作时,其上安装的微波器件主要以热传导的方式将热量传递给末级组件的盒体;此时末级组件盒体与空气形成温度差,热量又主要以对流传热的方式将热量传递给空气。因此,可以通过加速热传导和对流传热将末级组件工作时其上的热量更快地传递出去。
         在工程应用中,主要散热方式有强迫风冷、强迫液冷、相变冷却和喷雾冷却等[3]。其中由于强迫风冷具有结构简单、可靠性高、成本低等优点,应用尤为广泛。因此选用4台轴流风机,通过强迫风冷的方式加快末级组件工作时对流传热的过程。
         针对末级组件工作时的热设计功耗主要来源于安装在其上的微波器件,可选用铜、铝、钛等导热系数相对较高的合金材料加工成末级组件的盒体,以加速热传导的过程。
         考虑到末级组件后期调试、运输、维护和材料成本,该末级组件选用铝合金材料加工装配而成,其外形图如图2所示。相同的环境温度下,铝导热系数高、密度小、应用广泛,在满足散热的同时,可以有效地降低末级组件的重量、生产周期和成本。

图2某型雷达固态发射机末级组件结构外形图
3热仿真分析
    由于末级组件安装在固态发射机中,要验证该末级组件在全功率工作时是否能够满足设计要求,需要对固态发射机进行热分析。首先建立固态发射机的热分析简化模型,如图3所示;然后确定热源,末级组件中安装的微波器件和前级组件,其热设计功耗见表1,环境温度为25℃。

图3某型雷达固态发射机固态发射机简化模型
         运用FloEFD软件对该固态发射机在以上给定初始条件下进行热仿真,仿真结果如图4和表2所示。图4为该型雷达固态发射机末级组件温度云图,表2为经过多次迭代运算后末级组件及其各器件温度。
     
                                    a)固态发射机温度云图               b)末级组件温度云图
图4某型雷达固态发射机温度云图
表 2某型雷达固态发射机末级组件及其各微波器件温度

         从图4和表2可以看出,在给定边界条件下,固态发射机末级组件及其各器件最高温度为48.65℃,出现在600WGaN功率晶体管模块位置,不超过65℃,满足设计需求。
结论
         本文通过介绍某型雷达固态发射机末级组件主要构成、安装位置和工作状态,分析其在工作时热量的来源和传递途径,确定了加工材料和结构外形,并通过仿真分析验证了该末级组件结构形式、材料选择和热设计的合理性。
参考文献
[1] 金明.L波段液冷GaN 固态功放组件设计[J].雷达与对抗,2018,38(02):30-33.
[2] 赵臣烜,张钰,张言安.基于ICEPAK的散热器优化设计[J].机械工程师,2013,1(06):124-126.
[3] 任恒,关宏山,彭伟.固态发射机末级组件热设计[J].制冷与空调,2016,16(03):17-20.
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