DC/DC電源模塊高溫失效原因分析

引言

　　DC／DC電源模塊(以下簡稱模塊)，是一種運(yùn)用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)DC／DC功率變換的開關(guān)電源。它廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)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(yuǎn)程和數(shù)字通信領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展r開關(guān)電源韻應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，所工作的環(huán)境也越來越惡劣，統(tǒng)計(jì)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(tuán)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(jié)構(gòu)中主要的元器件有；脈寬調(diào)制器(控制轉(zhuǎn)換效率)、光電耦合器(輸入與輸出隔離，避免前后級(jí)干擾，并傳遞取樣信息給PWM，保持輸出電壓的穩(wěn)定)、VDMOS(功率轉(zhuǎn)換部件，利用其良好的開關(guān)特性提高轉(zhuǎn)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(shù)隨溫度變化的情況，首先對(duì)電源模塊整體進(jìn)行加熱，測(cè)試其輸入電流、輸出電流、輸出電壓(Vout)電學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)條件：保持輸入電壓28V，輸出負(fù)載15Ω，輸出電流1A；測(cè)試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發(fā)現(xiàn)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(shì)不是很明顯，-其變化趨勢(shì)是伴隨著溫度的升高，電源模塊的電壓逐漸減小，而且趨勢(shì)非常明顯，從圖1中可見，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?yàn)槟K的效率是其性能的重要指標(biāo)，當(dāng)效率下降到一定數(shù)值，模塊也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生熱量過多而失效。為此計(jì)算了該試驗(yàn)條件下模塊效率隨溫度的變化，從圖2可見模塊的效率，隨著溫度的升高，變化趨勢(shì)更加明顯，開始較為緩慢，隨著溫度的升高而逐漸加快，呈現(xiàn)玻爾茲曼指數(shù)分布。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升到150℃，模塊輸出電壓為零。

　　為了尋找導(dǎo)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(jù)模塊的電路，選擇相應(yīng)的元件搭建電路，該電路經(jīng)過測(cè)試可以完成模塊的所有功能，同時(shí)因?yàn)榉羌苫?，可以?duì)其元件單獨(dú)測(cè)試，避免了集成元件因尺寸太小而難以測(cè)試的條件。下面對(duì)電源模塊中的重要的元件單獨(dú)加熱，測(cè)試其電參數(shù)隨溫度的變化，同時(shí)測(cè)試電路Vout的變化。

　　2 元件溫度性能對(duì)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圈匝數(shù)比的不同可以達(dá)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(yīng)，變壓器會(huì)產(chǎn)生很多的熱量，成為模塊熱量產(chǎn)生的主要來源。實(shí)驗(yàn)中首先測(cè)試了變壓器原邊和副邊線圈的電感量隨溫度的變化，如圖3所示，從圖3中可見隨著溫度的升高，線圈的電感量先增加，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(shì)是逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到220℃，磁芯溫度達(dá)到居壁點(diǎn)，線圈的電感量迅速降為零。對(duì)于不同磁芯材料的變壓器其居里點(diǎn)溫度有所不同，對(duì)于此類變壓器，可知居里溫度在220℃附近。當(dāng)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(dǎo)致輸出電壓迅速下降。

　　實(shí)驗(yàn)中還測(cè)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，并將感溫線放到變壓器的圓孔內(nèi)部，測(cè)試變壓器的溫度，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，得到變壓器溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系函數(shù)：y=1．18x+13。可見變壓器的溫度遠(yuǎn)高于電源模塊的工作溫度。當(dāng)環(huán)境溫度為150℃，感溫線測(cè)試的結(jié)果約190℃，由于感溫線測(cè)試點(diǎn)是變壓器圓孔內(nèi)部的空氣，不是變壓器的磁芯溫度，因此感溫線的測(cè)量結(jié)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(dāng)模塊的環(huán)境溫度超過150℃時(shí)，模塊中變壓器的溫度將達(dá)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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