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控制与算法 ★ 4.0

用于射频功率放大器芯片散热增强的快速散热器拓扑优化

Fast Heatsink Topology Optimization for RF Power Amplifier Chip Heat Dissipation Enhancement

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中文摘要

本文提出了一种基于热阻网络模型的射频功率放大器电路散热器快速拓扑优化算法方法。该方法能够在将温度控制在允许范围内的同时,实现散热器的轻量化设计。在散热器的设计区域采用了固体各向同性材料惩罚(SIMP)方法,同时通过热阻网络模型来表征射频功率放大器电路对散热的影响。该方法的主要优势在于避免了使用传统的有限元法(FEM)对整个芯片/散热结构进行热仿真,传统方法需要很长的仿真时间和大量的计算工作。相反,热阻网络计算方法提供了一种非常快速且足够准确的温度分布分析工具,在优化程序中使用时可加快散热器结构设计。与传统散热器相比,通过上述方法优化后的散热器在满足最高温度要求的同时,体积(质量)减少了 20%以上。

English Abstract

This article proposes a fast topology optimization algorithm methodology for the design of heatsinks for RF power amplifier circuits based on a thermal resistance network model. This methodology can achieve heatsinks lightweight design while keeping the temperature within an allowable range. The solid isotropic materials with punishments (SIMPs) method is applied within the design area of the heatsink, while the impact of the RF power amplifier circuit on heat dissipation is represented by a thermal resistance network model. The main advantage of this methodology is that it avoids the use of conventionally employed finite element method (FEM) thermal simulation of the whole chip/heat dissipation structure, which requires very long simulation time and high computational effort. On the contrary, the thermal resistance network calculation method offers a very fast and sufficiently accurate temperature distribution analysis tool, speeding up the heatsink structure design when employed within the optimization routine. Compared with a traditional heatsink, the volume (mass) of the heatsink optimized through the aforementioned method has been reduced of more than 20% while satisfying the highest temperature requirements.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对射频功率放大器芯片的快速散热器拓扑优化技术具有显著的跨领域应用价值。尽管研究对象是射频功率放大器,但其核心方法论——基于热阻网络模型的拓扑优化算法——与我司光伏逆变器和储能变流器中的功率半导体散热设计需求高度契合。

该技术的核心价值在于突破了传统有限元仿真的计算瓶颈。在我司大功率逆变器产品开发中,IGBT、SiC等功率器件的散热设计往往需要反复迭代优化,传统FEM仿真耗时长且计算资源消耗大。采用热阻网络模型结合SIMP拓扑优化方法,可将设计周期大幅缩短,同时实现散热器体积减重20%以上,这对提升逆变器功率密度、降低物料成本和运输成本具有直接经济价值。

从技术成熟度评估,热阻网络建模是成熟的热设计方法,但其准确性高度依赖于模型参数的精确标定。对于我司复杂的多芯片并联、多层PCB结构,需要建立更精细的热阻网络模型并通过实验验证。此外,该方法在处理自然对流、强制风冷等复杂边界条件时的适用性需要进一步评估。

技术机遇在于可与我司现有的数字化设计平台集成,建立快速热设计工具链,支撑新一代高功率密度产品开发。挑战则在于如何将该算法从单芯片场景扩展到系统级多热源耦合场景,以及如何在保证计算速度的同时维持工程精度要求。建议启动预研项目,探索该技术在组串式逆变器和液冷储能系统中的应用潜力。