DC/DC電源模塊高溫失效原因分析

引言

　　DC／DC電源模塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)模塊)，是一種運用功率半導體開(kāi)關(guān)器件實(shí)現DC／DC功率變換的開(kāi)關(guān)電源。它廣泛應用于遠程及數據通信、計算機、辦公自動(dòng)化設備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)擠的各行各業(yè)，并在遠程和數字通信領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。隨著(zhù)電子技術(shù)的高速發(fā)展r開(kāi)關(guān)電源韻應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，所工作的環(huán)境也越來(lái)越惡劣，統計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％，溫升為50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1／6。本文所研究的電源模塊是中電集團第四十三所研制的廣泛用于軍工的一款高性能DC／DC電源模塊。與tnterlmint的MHF2815S+相比，具有輸出效率高，產(chǎn)生熱量少，抗浪涌能力高等優(yōu)點(diǎn)。

　　在DC／DC電源模塊電源結構中主要的元器件有；脈寬調制器(控制轉換效率)、光電耦合器(輸入與輸出隔離，避免前后級干擾，并傳遞取樣信息給PWM，保持輸出電壓的穩定)、VDMOS(功率轉換部件，利用其良好的開(kāi)關(guān)特性提高轉換效率)和肖特基二極管(整流以及濾波，是功率輸出的主要部件)。

　　1 電源模塊輸出電壓與工作溫度的關(guān)系

　　為了摸清電源模塊電學(xué)參數隨溫度變化的情況，首先對電源模塊整體進(jìn)行加熱，測試其輸入電流、輸出電流、輸出電壓(Vout)電學(xué)參數，試驗條件：保持輸入電壓28V，輸出負載15Ω，輸出電流1A；測試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發(fā)現橫塊的輸出電壓有較明顯的下降，輸入電流，輸出電流的變化趨勢不是很明顯，-其變化趨勢是伴隨著(zhù)溫度的升高，電源模塊的電壓逐漸減小，而且趨勢非常明顯，從圖1中可見(jiàn)，加熱溫度在50℃，Vout為14．98 V；溫度為142℃時(shí)，Vout降為14．90 V。此外，因為模塊的效率是其性能的重要指標，當效率下降到一定數值，模塊也會(huì )因為產(chǎn)生熱量過(guò)多而失效。為此計算了該試驗條件下模塊效率隨溫度的變化，從圖2可見(jiàn)模塊的效率，隨著(zhù)溫度的升高，變化趨勢更加明顯，開(kāi)始較為緩慢，隨著(zhù)溫度的升高而逐漸加快，呈現玻爾茲曼指數分布。在測試中發(fā)現當溫度升到150℃，模塊輸出電壓為零。

　　為了尋找導致電源模塊的輸出電壓隨溫度升高而明顯下降的主要元器件，根據模塊的電路，選擇相應的元件搭建電路，該電路經(jīng)過(guò)測試可以完成模塊的所有功能，同時(shí)因為非集成化，可以對其元件單獨測試，避免了集成元件因尺寸太小而難以測試的條件。下面對電源模塊中的重要的元件單獨加熱，測試其電參數隨溫度的變化，同時(shí)測試電路Vout的變化。

　　2 元件溫度性能對模塊溫度特性的影響

　　2．1 變壓器

　　變壓器在中不僅能傳遞能量，同時(shí)還起到了電氣隔離的作用，變壓器的原邊與副邊線(xiàn)圈匝數比的不同可以達到升壓或降壓的作用。在模塊工作狀態(tài)下，由于磁芯的渦流效應，變壓器會(huì )產(chǎn)生很多的熱量，成為模塊熱量產(chǎn)生的主要來(lái)源。實(shí)驗中首先測試了變壓器原邊和副邊線(xiàn)圈的電感量隨溫度的變化，如圖3所示，從圖3中可見(jiàn)隨著(zhù)溫度的升高，線(xiàn)圈的電感量先增加，然后小幅下降，再小幅上升，在環(huán)境溫度為220℃以前，變壓器的原邊與副本電感量的整體趨勢是逐漸增加，當溫度達到220℃，磁芯溫度達到居壁點(diǎn)，線(xiàn)圈的電感量迅速降為零。對于不同磁芯材料的變壓器其居里點(diǎn)溫度有所不同，對于此類(lèi)變壓器，可知居里溫度在220℃附近。當變壓器溫度接近居里點(diǎn)時(shí)，變壓器電感量會(huì )迅速減小，會(huì )導致輸出電壓迅速下降。

　　實(shí)驗中還測試了電路中的輸入輸出的其他電感元件的電感量隨溫度的變化。在整個(gè)加熱階段，其他元件的電感量隨溫度變化很小，與變壓器電感量變化相比可以忽略。而且在變壓器電感量下降的階段，其他電感元件的電感量變化仍然較小。

　　為了校正環(huán)境溫度與模塊因自生熱升高的溫度，選擇一模塊，將模塊外殼穿孔，并將感溫線(xiàn)放到變壓器的圓孔內部，測試變壓器的溫度，通過(guò)對測試數據處理，得到變壓器溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系函數：y=1．18x+13?？梢?jiàn)變壓器的溫度遠高于電源模塊的工作溫度。當環(huán)境溫度為150℃，感溫線(xiàn)測試的結果約190℃，由于感溫線(xiàn)測試點(diǎn)是變壓器圓孔內部的空氣，不是變壓器的磁芯溫度，因此感溫線(xiàn)的測量結果比實(shí)際的變壓器的溫度要低很多，由此可以判斷變壓器的磁芯溫度將接近居里點(diǎn)，因此當模塊的環(huán)境溫度超過(guò)150℃時(shí)，模塊中變壓器的溫度將達到變壓器磁芯的居里點(diǎn)溫度，此時(shí)模塊的輸出電壓幾乎為零。

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