大功率DC／DC變換器的研制

0引言

　　慣導系統(tǒng)專用DC／DC電源(28.5 V)主要功能是隔離和穩(wěn)定彈上供電電壓，保證彈上電源在較大范圍波動時能提供精密穩(wěn)定的電壓，一般情況下，受彈上舵機等其他設備工作的影響，彈上電源的波動和干擾很大。

　　為此，本文采用氮化鋁基板、混合集成技術和裸芯片組裝工藝，給出了一種高可靠而且重量輕、體積小、輸出功率較大的200 W直流／直流變換器的研制過程。該DC／DC變換器可替代進口產品，也可推廣應用到其他型號的機載或彈用設備系統(tǒng)中。

1 電路設計

　　該DC／DC變換器在原理上采用雙管推挽拓撲+兩路串聯設計技術，每路承擔100 W的輸出功率。由于是兩路串聯，故只要保證每路輸出電壓一樣，就可使每路輸出功率一樣，從而避免了并聯技術所要采取的均流技術等復雜措施。每路電路則采用脈寬調制(PWM)控制技術，并通過推挽功率變換，變壓器耦合傳輸，再經整流、濾波后得到相應的輸出電壓，最后經光耦的反饋來調整脈沖導通時間，從而得到精確的輸出電壓。

　　該變換器的電路原理框圖如圖1所示。每路電路均由輸入濾波電路、推挽式功率轉換電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路組成。推挽電路由于結構簡單，變壓器工作在磁滯回線I、Ⅲ象限，且工作中沒有直流分量，不易飽和。相對于有直流分量的單端電路而言，在傳遞同等功率時，變壓器的尺寸要相對小些。輸出全波整流后，脈沖頻率將提高一倍，因此，濾波電容可以減小，以有利于小型化。主電路經整流濾波后的信號經過采樣與精密基準比較放大后，其誤差信號通過光耦反饋給脈寬調制器，以調制其驅動信號脈沖寬度，從而控制功率開關管的通斷時間，最終實現輸出電壓的穩(wěn)定。系統(tǒng)中的輔助電源主要提供PWM控制器的工作電壓。

2工藝設計

　　該變換器可采用AIN高溫共燒基板制造工藝及厚膜成膜、厚膜組裝工藝制造。圖2所示是AIN高溫共燒基板制造工藝流程圖，其組裝工藝流程如圖3所示。

　　成膜工藝流程如下：

　　1基片處理→2掩模制版→3金導體印制→4烘干燒成→5介質印制→6烘干燒成→7PdAg導體印制→8烘干燒成→9電阻印制→10烘干燒成→11玻璃印制→12烘干燒成→13金屬化印制→14烘干燒成→15激光調阻→16成膜專檢。

3關鍵技術問題

3.1方案設計問題

　　由于此電路要求輸出功率高達200 W，因此，總體方案的選擇尤為重要。從理論上講，實現200 W的DC／DC變換器輸出有三種可行方案：一是單路輸出，二是兩路并聯輸出，三是兩路串聯輸出。第一種方案線路最為簡單，但要求變壓器應有200 W以上的傳輸功率，經過計算，至少要選用φ2213的磁罐，這樣，加上底板厚度2.5 mm、蓋板0.5 mm、變壓器粘接膜厚以及變壓器和上蓋板之間的間距至少要保留0.5 mm以上，其總高度已超過16.5 mm，而設計要求的最大高度為15mm。第二種方案為VICOR公司采用的N+1方案，但由于電路啟動或工作時電流分配不均勻易造成電路損壞，所以采用這種方案一般要應用均流技術，這樣將增加電路的復雜程度，也延長了研制周期?？紤]到此電路的輸出電壓較高(28.5 V)，第三種方案應是實現本電路的最佳方案，因為采用串聯技術只要每路輸出電壓一樣就可保證輸出功率一樣，這樣可避免輸出功率的不均勻，而輸出電壓一樣只要通過功能調就可保證。由于電路總的輸出電壓為28.5 V。每路的輸出電壓有14 V多，因而不必擔心因電壓過低而影響效率。DC／DC變換器輸出功率大于100 W的技術已經成熟。因此，無論從方案的可行性．還是從實施的進度來講，第三種方案都是實現本課題的最佳方案。

3.2電路設計問題

　　(1)線路的優(yōu)化

　　設計時，可先用計算機軟件仿真出最佳工作頻率、變壓器參數和關鍵電感電容的參數。對DC／DC電源而言，高頻變壓器的設計是首先要考慮的關鍵內容，而變壓器設計的核心則是其初級和次級線圈匝數的確定。設計時，可采用以下公式來計算初級和次級線圈匝數：

　　式中，Np為初級線圈匝數，Vp為加在變壓器初級的電壓，f為變壓器的開關頻率，Bmax是最大磁通密度，Ae為磁芯有效截面積(cm2)。事實上，如果不考慮肖特基二級極管上的壓降，則次級線圈匝數為：

　　其中，VO為輸出電壓，δmax是脈沖導通最大占空比，Vin min是輸入電壓最小值。

　　經過計算得到變壓器初、次級線圈匝數的理論值后，可再經過試驗以進行效驗。為了減小漏感影響，此電路的設計采用初級和次級漆包線相互交叉繞制的方法。為了減少趨膚效應造成的損耗，變壓器采用多線并繞的方法。

　　(2)元器件的設計

　　選取高品質的元器件(如日本TDK磁罐、低損耗的VMOS開關管、肖特基二極管等)可降低每一個關鍵環(huán)節(jié)的功率損耗。輸入、輸出濾波電路應采用可靠性較高的片式獨石電容作為濾波電容，應避免鉭電容在高溫功率老化時容易出現的失效，有效提高電路的可靠性。

　　(3)平面轉換設計

　　版圖設計時，流過大電流回路的導帶應盡量短、粗且靠近引腳，并應采用兩次印刷，加厚導帶層，以減小導帶電阻，降低損耗。功率管上壓焊的鋁絲應選用300μm的材料，輸入和輸出電容端頭的鈀銀焊區(qū)上應鍍一層錫，變壓器的漆包線盡可能地粗或用多股細線。

　　(4)熱設計

　　在布局上，熱源要均勻分布，不要集中于某一局部，尤其是VMOS管、肖特基管?？蛇x用高導熱材料ALN做基板以減小熱阻，快速散熱，避免局部溫升過高。由于本產品所需的基片較大，為避免機械沖擊可能造成的損傷，應把基片分成四塊(2塊ALN基板和2塊A12O3基板)來增加產品的可靠性。本產品的主要熱源有15個，分別是4個VMOS管、8個肖特基二極管、2個變壓器和1個電感。經過綜合考慮，本設計把變壓器和電感直接粘在底座的中部，以便于最大可能地散熱，同時把4個VMOS管均勻地放在左側的ALN基片上，而把8個肖特基二極管均勻地放在右側的ALN基片上，這樣，15個熱源相對均勻分散放置，有利于產品熱量的散發(fā)，避免局部過熱。變壓器、電感的引出端焊點盡量靠近其本身，并應避免引線過長，引起不必要的銅損與干擾。而對相應的鈀銀焊區(qū)進行敷錫，既可方便手工焊接，又可降低接觸電阻和線間損耗。功率管載流焊在基板上，并將基板焊在底座上，這樣有利于減少內熱阻，降低損耗。

　　在做老化和質量一致性檢驗時，還應在產品和散熱片之間加導熱布或導熱硅脂以減小熱阻，同時減小損耗降低溫升。

　　(5)低溫啟動和高溫自激問題的解決 由于本課題研究的DC／DC變換器的輸出功率高達200W以上，輸出電流在7 A以上，電路內部的電流變換率和電壓變換率很大，元器件承受的應力也很大，因此，DC／DC變換器很容易處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因而必須小心地設計電路的補償網絡。開關電源是一個閉環(huán)自動穩(wěn)定系統(tǒng)，誤差放大、補償網絡都是帶負反饋的誤差放大器，因此，補償網絡的設計顯得尤為重要。在本課題的研制過程中，低溫啟動和高溫自激曾長時間困擾著課題組，低溫啟動的不確定性，更增加了解決的難度。最終，課題組通過選擇補償網絡的每一個元器件的參數，精心設計并反復試驗，從而攻克了這兩個難題，保證了DC／DC變換器穩(wěn)定地工作。

3.3工藝設計問題

　　由于此電路是大功率混合集成電路，輸出功率高達200 W，電路內部功耗高達30 W，采用常規(guī)的工藝已不能滿足要求，故應尋求新材料，并采用新工藝。

　　氮化鋁(AlN)基板以其熱導率高，熱膨脹系數與硅接近，機械強度高，電性能優(yōu)良等綜合特點，而成為功率MCM的理想基板。由于AlN與Si的膨脹系數相接近，AlN基板與Si之間產生的熱應力較小。由于AlN可以克服Al2O3瓷與硅片熱膨脹系數不匹配的缺點，故可使得采用AlN作基板的MCM具有更高的可靠性。ALN具有六方晶系纖鋅礦結構，質輕(相對密度為3.6)、強度高、禁帶寬(Eg=6.2 eV)，抗電強度、體電阻率和介電常數均優(yōu)良。其最大優(yōu)點是具有高熱導率(AlN的熱導率是120～160 W／m.K，而一般的Al2O3的熱導率是30 W／m.K)，因此ALN更適合于制作高集成度、高壓、高速、大功率電路用厚膜混合集成電路的基板。

　　基于以上原因，本課題組決定選用ALN基片作為大功率器件的基板，并把功耗較大的VMOS管、肖特基二極管分布在ALN基板上。為防止基片過大沖擊造成損壞，制作時特設計了四塊基板(兩塊ALN基片和兩塊Al2O3基片)。

　　本課題標準規(guī)定漏氣率需≤1×10-2Pa.cm3／s，經過綜合考慮和對比試驗，發(fā)現采用陶瓷絕緣子密封的抗折強度、抗壓強度和抗拉強度等指標均優(yōu)于玻璃絕緣子，故采用陶瓷絕緣子密封。

4結束語

　　該DC／DC變換器的輸出功率高達200 W，外形尺寸為120.8 mm×76 min×15.5 mm，是國內迄今為止研制的最大功率和最大體積混合集成電源。由于采用了MCM技術和DC／DC變換器技術的結合，因而在客觀上拓寬了DC／DC變換器的大功率輸出范圍，并為混合集成DC／DC變換器實現更大功率提供了可能性。