某固态微波炉功放模块散热优化设计

邓 洋 唐相伟 王 轩

（广东美的厨房电器制造有限公司 佛山 528311）

引言

微波炉在人们的日常生活中应用非常广泛，常用来加热烹饪或是翻热食材，常规的微波炉一般是利用变压器提供高压给磁控管，磁控管产生微波来加热食物。微波加热的特点是速度快，但缺点是无法调频调相，加热不均匀。为了更好的利用微波来实现均匀的加热，固态微波炉应运而生，其产生微波的部件由射频芯片替代了传统的磁控管，且电源模块也可取代笨重的高压变压器模块，且具有可调频调相、体积小、重量轻、工作安静的优点，势必会是将来微波炉发展的一个趋势。由于功放模块的芯片体积小、功率大，目前功放常用的散热结构一般是铜板和铝材散热器相结合的方式[1]，也有用热管[2,3]、均温板[4]等高效传热的散热方式，又或是水冷的散热方式。因此功放模块良好的散热设计是保障其可靠工作的前提，而功放模块散热结构的扁平化设计是推动其在微波炉上应用的关键。

1 三维模型及实验测试和仿真模型校准

1.1 三维模型

由于功放芯片的体积很小，热流密度很大，常采用强制风冷[5]的方式给功放模块进行散热。现有的功放模块如图1所示，铝散热器尺寸：120*80*34 mm，材质6063-T5，功放晶体管最大功耗120 W，其安装在一块45*35*5.5 mm厚的紫铜板上，紫铜板嵌入到铝散热器中，采用的轴流风扇尺寸80*80*25 mm，最大风量32 CFM，最大风压41.3 Pa，转速3 100 rpm。

通过测试功放的温度场和仿真结果对比，利用实验测试结果来校准仿真模型参数，使仿真数据和实验测试数据更接近。仿真模型参数校准后，可为后续的散热优化提供相对准确的数据参考，可大大提升设计效率，缩短开发周期并降低成本。

1.2 实验测试和仿真模型校准

为了测试功放的温度场，使用DC电源提供32 V直流电，并调节电位器使通过功放的电流到达3.75 A，从而使晶体管在无射频信号的情况下耗散120 W的热量，采用热成像仪Flir E40来测试功放温度场。测试仪器和功放局部实物模型如图2所示。

当系统达到热平衡状态后，使用Flir红外成像仪对功放模块进行温度采样，重点监测晶体管温度、晶体管四周温度，测试结果和仿真结果如图3所示。

分别对功放上标记点的温度进行采集，其中点1为晶体管芯片温度，点2为晶体管左侧位置温度，点3为晶体管右侧位置温度，点4为晶体管下侧铜块温度，点5为晶体管上侧铜块温度，点6为铝散热器的温度，通过多次仿真参数的校准，采集的实验数据和仿真数据如表1所示。

仿真参数模型校准后，通过从实验测试数据和仿真数据的对比来看，仿真和实验测试结果吻合较好，温度点误差在3 ℃以内，符合要求。另外，从表1数据可以看出，功放晶体管温度130.3 ℃，距离最高限制温度150 ℃的余量较小，而铝散热器的温度点6和铜块其他监测点的温度差接近40 ℃，温差较大，说明铜块的热量未能很好的传递给铝散热器，导致散热效果不佳，散热模块仍有优化的空间。因此校准仿真模型后，可利用仿真的方法对功放散热模块进行优化设计。

图1 原功放模块散热模型

图2 测试仪器及功放局部实物模型

图3 测试结果和仿真结果

表1 实验测试数据和仿真数据

2 优化设计和实验测试

2.1 扁平化模型

由于空间的限制，现有的散热模块高度太高，无法在桌面炉上使用，因此需对功放模块进行扁平化设计，重新设计的功放散热模块如图4所示，铝散热器尺寸：110*80*20 mm，材质6063-T5，功放晶体管紫铜基板尺寸100*48*5 mm，鼓风机外形尺寸60*60*15 mm，最大风量6.8 CFM，最大风压42 Pa，转速4 800 rpm。

2.2 仿真和测试结果

采用三维稳态不可压缩流动，选择realizable twoequation湍流模型，环境温度25 ℃，分别监测功放晶体管上部铜基板点（A），进风端铝散热器温度点（B）和出风端铝散热器温度点（C）的温度，为了监测不同功耗下功放模块的温度情况，分别仿真功耗50 W、80 W、100 W和120 W情况下监测点的温度状况，仿真结果如图5所示。

为了测试不同功耗下功放模块的温度情况，通过调节电流强度来对应相应的仿真功耗，并在不同的功耗下维持运行一段时间直至监测的温度点温度值稳定，记录下不同功耗小的温度测试数据，功放模块温度测试如图6所示。

分别记录下不同功耗下仿真和实验测试的监测点A、B、C的温度数据，以及不同功耗下实验数据和仿真数据的温差ΔT，整理的数据如表2所示。

图4 扁平化功放模块散热模型

图5 仿真温度场和流场

图6 实验测试

表2 仿真温度点监测数据

通过对比实验数据和仿真数据发现，监测点的实测数据和仿真数据温差较小，最大温差在3 ℃以内，符合要求。且优化后仿真的晶体管温度比原始方案晶体管的温度降低了23 ℃左右，测试的铜基板温度和铝散热器的温差也缩小至10 ℃左右，较原始方案铜基板和铝散热器的温差降低了30 ℃左右，散热效果改善明显。

3 结论

通过对某固态微波炉功放散热模块研究可得到如下结论：

1）通过对原始功放散热模块的测试，进行仿真模型参数的校准，通过校准仿真模型和参数，可使仿真结果和实验测试结果吻合较好，并可利用仿真的方法进行散热器优化。

2）通过对功放模块进行扁平化设计，可降低功放模块的整体高度可降低50 %以上，扁平化的设计更便于功放模块在腔体中的安装。

3）通过仿真优化的功放模块，在不同功耗情况下的仿真数据和实验测试数据吻合较好，最大温差在3 ℃以内，进一步验证了仿真对优化的指导作用。

4）通过优化设计后的功放模块，晶体管温度降低17 %左右，铝散热器和铜基板的温差缩小至10 ℃左右，进一步说明优化后的功放模块散热效果更佳。