军工模块电源高温失效的原因

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某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。 图1 电源模块Vout 与温度T 的关系。
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2 电源模块效率η 与温度T 的关系。

 
图1 温度与输出电压的关系
 
图2 电源模块效率与温度的关系

2.元件温度性能对模块温度特性的影响
3. 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。 图3 变压器电感量L 与温度T 的关系。
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温度的关系函数：y = 1. 18x +13。可见变压器的温度远高于电源模块的工作温度。
当环境温度为150℃，感温线测试的结果约190℃，由于感温线测试点是变压器圆孔内部的空气，不是变压器的磁芯温度，因此感温线的测量结果比实际的变压器的温度要低很多，由此可以判断变压器的磁芯温度将接近居里点，因此当模块的环境温度超过150℃时，模块中变压器的温度将达到变压器磁芯的居里点温度，此时模块的输出电压几乎为零。
3. 2 脉宽调制解调器（PWM）
PWM 的主要功能是根据输出反馈， 调节脉冲波形的占空比， 并驱动功率器件， 从而得到稳定的直流输出电压。
在该型号电源模块中， PWMSG3524 的功能是提供两路方波信号给三极管和VDMOS, 并根据方波信号的宽度控制VDMOS 的导通与关断时间。在此试验中， 对电路工作状态的PWMSG3524 单独加温， 并测试输出方波信号与温度的关系， 测得波形没有明显变化； 在加温的同时对模块的输入、输出电流电压进行记录， 发现随着PWM 所在环境温度的升高输入电流与输入电压变化都很小； 输出电压与输出电流变化也很小，加热PWM 导致电参数变化与模块整体加热电参数相比可以忽略。证明PWMSG3524 对模块的温度特性影响较小。
3. 3 VDMOS
VDMOS（ 垂直双扩散场效应晶体管） 在模块电路中作为开关器件， 在感性负载下工作， 承受高尖峰电压和大电流， 具有较高的开关损耗和温升， 其开关频率可高达130 kHz, 在这样高的频率下工作， 可能引起内部多种退化机制， 导致VDMOS 的性能下降， 甚至失效。
在本实验中对模块中的VDMOS 单独加温， 测试模块电学参数的变化， 通过测试得到当温度到180℃时， 输入电流随温度的升高有较为明显的增加。而输出电压、输出电流随温度的升高变化较小。此外计算模块的输出效率， 判断模块是否处在正常工作状态， 通过计算可到对VDMOS 单独加热到180℃ 时， 模块的输入电流迅速增加。而当温度升至220℃， 输出电压几乎没有变化， 由于模块在150 ℃已经失效， 而此时单独加热温度已经高达180 ℃，远高于模块整体加热失效的温度， 因此VDMOS 的温度特性不是影响输出电压变化的原因。
3. 4 二极管（ SBD）
在模块中使用的二极管有稳压二极管， 整流二极管， 其中整流二极管在电压转换过程中扮演了重要的角色。在变压器的输出端， 两个整流二极管在不同时段导通， 使交流脉动电压转换为直流脉动。在本实验中， 对电路中的SBD 单独加热， 发现随着温度的升高， 模块的输出电压没有较明显的变化。因此模块在高温工作的环境下， SBD 不是引起模块输出电压下降的主要因素。
3. 5 光电耦合器
光电耦合器（ 以下简称光耦） 以光为媒介传输电信号。它对输入， 输出电信号有良好的隔离作用。光耦一般由3 部分组成： 光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（ LED） , 使之发出一定波长的光， 它被光探测器接收而产生光电流， 再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换， 从而起到输入、输出隔离的作用。由于光耦输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点， 因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
在模块中， 光耦作为隔离输入、输出的重要部件， 同时将输出端比较放大器输出的电流信号传输到PWM的9 脚， 而9 脚是PWM 的补偿端， 它与比较器的反向输入端相连， 控制PWM 的11 脚和14 脚输出脉冲的宽度。从而调整模块的输出电压保持稳定。
在本实验中， 首先测试模块中使用的光耦NEC2705 的输入端电流与输出端电流的比例系数随温度的变化， 输入端所加电流为11 mA, 结果表明在25 时，该光耦的电流传输比接近1 ：1, 但是随着温度的升高，输入电流不变， 输出端的电流逐渐减小， 大约每升高10 , 光耦的电流传输比减小4%, 结果如图4 所示。 图4 光耦电流传输比与温度T 的关系。
然后对工作状态中模块的光耦单独加热（ 模块光耦较大， 可取下焊线后单独加热） , 测量模块的输出电压，见图5。发现随着温度的升高， 模块电压逐渐下降， 且与模块整体加热时测得的输出电压随温度上升而下降趋势基本符合。通过分析可知， 随着环境温度的升高，电源模块各元件的功耗增加， 将导致模块的输出电压的下降， 此时应当通过光耦连接的反馈电路， 使得PWM输出的脉宽增加， 提高输出端的电压， 但是由于光电耦合器的传输效率下降， 不能完全将负反馈的结果传输给PWM。使得PWM 输出脉宽比实际较窄， 即电压调整能力降低， 使输出电压随环境温度上升而下降 。 图5 输出电压与光耦温度T 的关系。

 
图3 变压器温度与变压器电感量的关系
 
图4 光耦温度与光耦传输比的关系
 
图5 光耦温度与输出电压的关系

4.总结：
综上所述， 模块温度特性表现为： 在温度小于150 的时候， 模块的输出电压缓慢下降， 原因是由于光耦电流传输比的下降引起； 当温度大于150 时， 电源模块输出电压迅速下降， 甚至输出电压几乎为零， 其原因是此时模块中变压器的磁芯温度接近居里点温度（ 220 ） 。变压器作用失效所引起。在此情况中， 如果模块内部没有产生其他的损伤， 当停止加热， 模块温度恢复到室温， 模块重新加电， 模块输出电压仍能恢复到正常值。然而， 对于本实验中测试的模块， 当环境温度超过150 左右时， 由于模块变压器的磁芯温度达到距离点， 使磁芯温度升高， 该正反馈会使磁芯温度迅速升高， 产生的热量也更多， 造成模块内部其它器件的损坏，很容易造成模块的永久损毁。