DC /DC电源模块高温失效原因

　　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。

图3 变压器电感量L 与温度T 的关系

　　2. 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。

　　2. 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。

　　2. 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。