DC /DC電源模塊高溫失效原因

　　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℃ ，磁芯溫度達到居里點(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。

圖3 變壓器電感量L 與溫度T 的關(guān)系

　　2. 2 脈寬調制解調器（PWM）

　　PWM 的主要功能是根據輸出反饋， 調節脈沖波形的占空比， 并驅動(dòng)功率器件， 從而得到穩定的直流輸出電壓。

　　在該型號電源模塊中， PWMSG3524 的功能是提供兩路方波信號給三極管和VDMOS, 并根據方波信號的寬度控制VDMOS 的導通與關(guān)斷時(shí)間。在此試驗中， 對電路工作狀態(tài)的PWMSG3524 單獨加溫， 并測試輸出方波信號與溫度的關(guān)系， 測得波形沒(méi)有明顯變化； 在加溫的同時(shí)對模塊的輸入、輸出電流電壓進(jìn)行記錄， 發(fā)現隨著(zhù)PWM 所在環(huán)境溫度的升高輸入電流與輸入電壓變化都很??； 輸出電壓與輸出電流變化也很小，加熱PWM 導致電參數變化與模塊整體加熱電參數相比可以忽略。證明PWMSG3524 對模塊的溫度特性影響較小。

　　2. 3 VDMOS

　　VDMOS（ 垂直雙擴散場(chǎng)效應晶體管） 在模塊電路中作為開(kāi)關(guān)器件， 在感性負載下工作， 承受高尖峰電壓和大電流， 具有較高的開(kāi)關(guān)損耗和溫升， 其開(kāi)關(guān)頻率可高達130 kHz, 在這樣高的頻率下工作， 可能引起內部多種退化機制， 導致VDMOS 的性能下降， 甚至失效。

　　在本實(shí)驗中對模塊中的VDMOS 單獨加溫， 測試模塊電學(xué)參數的變化， 通過(guò)測試得到當溫度到180℃時(shí)， 輸入電流隨溫度的升高有較為明顯的增加。而輸出電壓、輸出電流隨溫度的升高變化較小。此外計算模塊的輸出效率， 判斷模塊是否處在正常工作狀態(tài)， 通過(guò)計算可到對VDMOS 單獨加熱到180℃ 時(shí)， 模塊的輸入電流迅速增加。而當溫度升至220℃， 輸出電壓幾乎沒(méi)有變化， 由于模塊在150 ℃已經(jīng)失效， 而此時(shí)單獨加熱溫度已經(jīng)高達180 ℃，遠高于模塊整體加熱失效的溫度， 因此VDMOS 的溫度特性不是影響輸出電壓變化的原因。

　　2. 4 二極管（ SBD）

　　在模塊中使用的二極管有穩壓二極管， 整流二極管， 其中整流二極管在電壓轉換過(guò)程中扮演了重要的角色。在變壓器的輸出端， 兩個(gè)整流二極管在不同時(shí)段導通， 使交流脈動(dòng)電壓轉換為直流脈動(dòng)。在本實(shí)驗中， 對電路中的SBD 單獨加熱， 發(fā)現隨著(zhù)溫度的升高， 模塊的輸出電壓沒(méi)有較明顯的變化。因此模塊在高溫工作的環(huán)境下， SBD 不是引起模塊輸出電壓下降的主要因素。