DC /DC電源模塊高溫失效原因

摘 要： 為了得到一款軍品級(jí)模塊因?yàn)閷?dǎo)致高溫失效的原因， 通過(guò)對(duì)模塊內(nèi)部元件加熱測(cè)試， 觀測(cè)模塊電學(xué)參數(shù)的變化， 并與模塊整體加熱電學(xué)參數(shù)變化的結(jié)果做比較。得到影響模塊輸出電學(xué)參數(shù)變化的最主要的元件， 同時(shí)對(duì)該元件特性分析， 獲得元件隨溫度變化失效的原理。測(cè)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(dá)到150℃左右時(shí)， 模塊內(nèi)變壓器磁芯溫度將達(dá)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)稱模塊），是一種運(yùn)用功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)DC/ DC 功率變換的開(kāi)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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， 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)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(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(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(kāi)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28 V， 輸出負(fù)載15Ω ，輸出電流1 A；測(cè)試輸入電流與輸出電壓隨溫度的變化。發(fā)現(xiàn)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(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(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?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(guò)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(jiàn)模塊的效率， 隨著溫度的升高， 變化趨勢(shì)更加明顯， 開(kāi)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(guò)測(cè)試可以完成模塊的所有功能， 同時(shí)因?yàn)榉羌苫?可以對(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。