DC /DC電源模塊高溫失效原因

摘 要： 為了得到一款軍品級模塊因為導致高溫失效的原因， 通過(guò)對模塊內部元件加熱測試， 觀(guān)測模塊電學(xué)參數的變化， 并與模塊整體加熱電學(xué)參數變化的結果做比較。得到影響模塊輸出電學(xué)參數變化的最主要的元件， 同時(shí)對該元件特性分析， 獲得元件隨溫度變化失效的原理。測得其輸出電壓隨環(huán)境溫度的上升， 而緩慢下降的主要原因來(lái)自于光耦的溫度特性。環(huán)境溫度達到150℃左右時(shí)， 模塊內變壓器磁芯溫度將達到居里點(diǎn)附近， 使模塊輸出電壓幾乎為零。

　　0 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)濟的各行各業(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， 開(kāi)關(guān)電源的應用領(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Interpoint 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28 V， 輸出負載15Ω ，輸出電流1 A；測試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發(fā)現模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 ℃ ，V out 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V ou t 的變化。

圖1 電源模塊Vout 與溫度T 的關(guān)系。

圖2 電源模塊效率η 與溫度T 的關(guān)系。