DC /DC电源模块高温失效原因

摘 要： 为了得到一款军品级模块因为导致高温失效的原因， 通过对模块内部元件加热测试， 观测模块电学参数的变化， 并与模块整体加热电学参数变化的结果做比较。得到影响模块输出电学参数变化的最主要的元件， 同时对该元件特性分析， 获得元件随温度变化失效的原理。测得其输出电压随环境温度的上升， 而缓慢下降的主要原因来自于光耦的温度特性。环境温度达到150℃左右时， 模块内变压器磁芯温度将达到居里点附近， 使模块输出电压几乎为零。

0 引 言

DC/ DC 电源模块（ 以下简称模块），是一种运用功率半导体开关器件实现DC/ DC 功率变换的开关电源。

它广泛应用于远程及数据通信、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域， 涉及到国民经济的各行各业， 并在远程和数字通信领域有着广阔的应用前景。随着电子技术的高速发展， 开关电源的应用领域越来越广泛， 所工作的环境也越来越恶劣， 统计资料表明， 电子元器件温度每升高2℃， 可靠性下降10% , 温升为50℃时的寿命只有温升25 ℃时的1/ 6。本文所研究的电源模块是中电集团第四十三所研制的广泛用于军工的一款高性能DC/ DC 电源模块。与Interpoint 的MHF2815S+ 相比， 具有输出效率高， 产生热量少， 抗浪涌能力高等优点。

在DC/ DC 电源模块电源结构中主要的元器件有：

脉宽调制器（ 控制转换效率） 、光电耦合器（ 输入与输出隔离， 避免前后级干扰， 并传递取样信息给PWM, 保持输出电压的稳定） 、VDMOS（ 功率转换部件， 利用其良好的开关特性提高转换效率） 和肖特基二极管（ 整流以及滤波， 是功率输出的主要部件）。

1 电源模块输出电压与工作温度的关系

为了摸清电源模块电学参数随温度变化的情况， 首先对电源模块整体进行加热， 测试其输入电流、输出电流、输出电压（ Vout ） 电学参数， 试验条件： 保持输入电压28 V， 输出负载15Ω ，输出电流1 A；测试输入电流与输出电压随温度的变化。发现模块的输出电压有较明显的下降， 输入电流， 输出电流的变化趋势不是很明显， 其变化趋势是伴随着温度的升高， 电源模块的电压逐渐减小， 而且趋势非常明显， 从图1 中可见， 加热温度在50 ℃ ，V out 为14. 98 V; 温度为142 ℃ 时， Vout 降为14. 90 V。此外， 因为模块的效率是其性能的重要指标，当效率下降到一定数值， 模块也会因为产生热量过多而失效。， 为此计算了该试验条件下模块效率随温度的变化， 从图2 可见模块的效率， 随着温度的升高， 变化趋势更加明显， 开始较为缓慢， 随着温度的升高而逐渐加快，呈现玻尔兹曼指数分布。在测试中发现当温度升到150 ℃ ， 模块输出电压为零。

为了寻找导致电源模块的输出电压随温度升高而明显下降的主要元器件， 根据模块的电路， 选择相应的元件搭建电路， 该电路经过测试可以完成模块的所有功能， 同时因为非集成化， 可以对其元件单独测试， 避免了集成元件因尺寸太小而难以测试的条件。下面对电源模块中的重要的元件单独加热， 测试其电参数随温度的变化， 同时测试电路V ou t 的变化。

图1 电源模块Vout 与温度T 的关系。

图2 电源模块效率η 与温度T 的关系。

2 元件温度性能对模块温度特性的影响

2. 1 变压器

变压器在中不仅能传递能量， 同时还起到了电气隔离的作用， 变压器的原边与副边线圈匝数比的不同可以达到升压或降压的作用。在模块工作状态下， 由于磁芯的涡流效应， 变压器会产生很多的热量， 成为模块热量产生的主要来源。实验中首先测试了变压器原边和副边线圈的电感量随温度的变化， 如图3 所示， 从图3 中可见随着温度的升高， 线圈的电感量先增加， 然后小幅下降， 再小幅上升， 在环境温度为220℃ 以前， 变压器的原边与副本电感量的整体趋势是逐渐增加， 当温度达到220℃ ，磁芯温度达到居里点， 线圈的电感量迅速降为零。对于不同磁芯材料的变压器其居里点温度有所不同， 对于此类变压器， 可知居里温度在220℃附近。当变压器温度接近居里点时， 变压器电感量会迅速减小，会导致输出电压迅速下降。

实验中还测试了电路中的输入输出的其他电感元件的电感量随温度的变化。在整个加热阶段， 其他元件的电感量随温度变化很小， 与变压器电感量变化相比可以忽略。而且在变压器电感量下降的阶段， 其他电感元件的电感量变化仍然较小。

为了校正环境温度与模块因自生热升高的温度， 选择一模块， 将模块外壳穿孔， 并将感温线放到变压器的圆孔内部， 测试变压器的温度， 通过对测试数据处理，得到变压器温度与环境