DC /DC電源模塊高溫失效原因

　　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)到居里點(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?？梢娮儔浩鞯臏囟冗h(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。

圖3 變壓器電感量L 與溫度T 的關(guān)系

　　2. 2 脈寬調(diào)制解調(diào)器（PWM）

　　PWM 的主要功能是根據(jù)輸出反饋， 調(diào)節(jié)脈沖波形的占空比， 并驅(qū)動(dòng)功率器件， 從而得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。

　　在該型號(hào)電源模塊中， PWMSG3524 的功能是提供兩路方波信號(hào)給三極管和VDMOS, 并根據(jù)方波信號(hào)的寬度控制VDMOS 的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。在此試驗(yàn)中， 對(duì)電路工作狀態(tài)的PWMSG3524 單獨(dú)加溫， 并測(cè)試輸出方波信號(hào)與溫度的關(guān)系， 測(cè)得波形沒有明顯變化； 在加溫的同時(shí)對(duì)模塊的輸入、輸出電流電壓進(jìn)行記錄， 發(fā)現(xiàn)隨著PWM 所在環(huán)境溫度的升高輸入電流與輸入電壓變化都很小； 輸出電壓與輸出電流變化也很小，加熱PWM 導(dǎo)致電參數(shù)變化與模塊整體加熱電參數(shù)相比可以忽略。證明PWMSG3524 對(duì)模塊的溫度特性影響較小。

　　2. 3 VDMOS

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

　　在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)模塊中的VDMOS 單獨(dú)加溫， 測(cè)試模塊電學(xué)參數(shù)的變化， 通過測(cè)試得到當(dāng)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(jì)算模塊的輸出效率， 判斷模塊是否處在正常工作狀態(tài)， 通過計(jì)算可到對(duì)VDMOS 單獨(dú)加熱到180℃ 時(shí)， 模塊的輸入電流迅速增加。而當(dāng)溫度升至220℃， 輸出電壓幾乎沒有變化， 由于模塊在150 ℃已經(jīng)失效， 而此時(shí)單獨(dú)加熱溫度已經(jīng)高達(dá)180 ℃，遠(yuǎn)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(wěn)壓二極管， 整流二極管， 其中整流二極管在電壓轉(zhuǎn)換過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(dǎo)通， 使交流脈動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換為直流脈動(dòng)。在本實(shí)驗(yàn)中， 對(duì)電路中的SBD 單獨(dú)加熱， 發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高， 模塊的輸出電壓沒有較明顯的變化。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。