中心議題：

• 探究DC/DC電源模塊高溫失效原因
• 元件溫度性能對模塊溫度特性的影響

解決方案：

• 測試電源模塊輸出電壓與工作溫度的關係

• 運用功率半導體開關器件實現DC／DC功率變換

0 引言

DC／DC電源模塊(以下簡稱模塊)，是一種運用功率半導體開關器件實現DC／DC功率變換的開關電源。它廣泛應用於遠程及數據通信、計算機
、辦公自動化設備、工業儀器儀表
、軍事、航天等領域
，涉及到國民經擠的各行各業，並在遠程和數字通信領域有著廣闊的應用前景。隨著電子技術的高速發展r開關電源韻應用領域越來越廣泛，所工作的環境也越來越惡劣

，統計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％

，溫升為50℃時的壽命隻有溫升25℃時的1／6。本文所研究的電源模塊是中電集團第四十三所研製的廣泛用於軍工的一款高性能DC／DC電源模塊。與tnterlmint的MHF2815S+相比
，具有輸出效率高，產生熱量少，抗浪湧能力高等優點。

在DC／DC電源模塊電源結構中主要的元器件有；脈寬調製器(控製轉換效率)
、光電耦合器(輸入與輸出隔離，避免前後級幹擾
，並傳遞取樣信息給PWM，保持輸出電壓的穩定)
、VDMOS(功率轉換部件，利用其良好的開關特性提高轉換效率)和肖特基二極管(整流以及濾波，是功率輸出的主要部件)。

1 電源模塊輸出電壓與工作溫度的關係

為了摸清電源模塊電學參數隨溫度變化的情況，首先對電源模塊整體進行加熱
，測試其輸入電流
、輸出電流、輸出電壓(Vout)電學參數，試驗條件：保持輸入電壓28V
，輸出負載15Ω，輸出電流1A；測(ce)試(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)與(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)。發(fa)現(xian)橫(heng)塊(kuai)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)有(you)較(jiao)明(ming)顯(xian)的(de)下(xia)降(jiang)，輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)
，輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)的(de)變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)不(bu)是(shi)很(hen)明(ming)顯(xian)，其(qi)變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)是(shi)伴(ban)隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)，電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)的(de)電(dian)壓(ya)逐(zhu)漸(jian)減(jian)小(xiao)，而(er)且(qie)趨(qu)勢(shi)非(fei)常(chang)明(ming)顯(xian)，從(cong)圖(tu)1中可見
，加熱溫度在50℃，Vout為14．98 V；溫度為142℃時，Vout降為14．90 V。此(ci)外(wai)，因(yin)為(wei)模(mo)塊(kuai)的(de)效(xiao)率(lv)是(shi)其(qi)性(xing)能(neng)的(de)重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)，當(dang)效(xiao)率(lv)下(xia)降(jiang)到(dao)一(yi)定(ding)數(shu)值(zhi)
，模(mo)塊(kuai)也(ye)會(hui)因(yin)為(wei)產(chan)生(sheng)熱(re)量(liang)過(guo)多(duo)而(er)失(shi)效(xiao)。為(wei)此(ci)計(ji)算(suan)了(le)該(gai)試(shi)驗(yan)條(tiao)件(jian)下(xia)模(mo)塊(kuai)效(xiao)率(lv)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)，從(cong)圖(tu)2kejianmokuaidexiaolv，suizhewendudeshenggao，bianhuaqushigengjiamingxian
，kaishijiaoweihuanman，suizhewendudeshenggaoerzhujianjiakuai
，chengxianboerzimanzhishufenbu。zaiceshizhongfaxiandangwendushengdao150℃
，模塊輸出電壓為零。 為(wei)了(le)尋(xun)找(zhao)導(dao)致(zhi)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)隨(sui)溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)而(er)明(ming)顯(xian)下(xia)降(jiang)的(de)主(zhu)要(yao)元(yuan)器(qi)件(jian)，根(gen)據(ju)模(mo)塊(kuai)的(de)電(dian)路(lu)，選(xuan)擇(ze)相(xiang)應(ying)的(de)元(yuan)件(jian)搭(da)建(jian)電(dian)路(lu)，該(gai)電(dian)路(lu)經(jing)過(guo)測(ce)試(shi)可(ke)以(yi)完(wan)成(cheng)模(mo)塊(kuai)的(de)所(suo)有(you)功(gong)能(neng)，同(tong)時(shi)因(yin)為(wei)非(fei)集(ji)成(cheng)化(hua)，可(ke)以(yi)對(dui)其(qi)元(yuan)件(jian)單(dan)獨(du)測(ce)試(shi)，避(bi)免(mian)了(le)集(ji)成(cheng)元(yuan)件(jian)因(yin)尺(chi)寸(cun)太(tai)小(xiao)而(er)難(nan)以(yi)測(ce)試(shi)的(de)條(tiao)件(jian)。下(xia)麵(mian)對(dui)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)中(zhong)的(de)重(zhong)要(yao)的(de)元(yuan)件(jian)單(dan)獨(du)加(jia)熱(re)
，測(ce)試(shi)其(qi)電(dian)參(can)數(shu)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)
，同(tong)時(shi)測(ce)試(shi)電(dian)路(lu)Vout的變化。
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2 元件溫度性能對模塊溫度特性的影響

2．1 變壓器

變(bian)壓(ya)器(qi)在(zai)中(zhong)不(bu)僅(jin)能(neng)傳(chuan)遞(di)能(neng)量(liang)，同(tong)時(shi)還(hai)起(qi)到(dao)了(le)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)的(de)作(zuo)用(yong)，變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)原(yuan)邊(bian)與(yu)副(fu)邊(bian)線(xian)圈(quan)匝(za)數(shu)比(bi)的(de)不(bu)同(tong)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)升(sheng)壓(ya)或(huo)降(jiang)壓(ya)的(de)作(zuo)用(yong)。在(zai)模(mo)塊(kuai)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，由(you)於(yu)磁(ci)芯(xin)的(de)渦(wo)流(liu)效(xiao)應(ying)

，變(bian)壓(ya)器(qi)會(hui)產(chan)生(sheng)很(hen)多(duo)的(de)熱(re)量(liang)，成(cheng)為(wei)模(mo)塊(kuai)熱(re)量(liang)產(chan)生(sheng)的(de)主(zhu)要(yao)來(lai)源(yuan)。實(shi)驗(yan)中(zhong)首(shou)先(xian)測(ce)試(shi)了(le)變(bian)壓(ya)器(qi)原(yuan)邊(bian)和(he)副(fu)邊(bian)線(xian)圈(quan)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)，如(ru)圖(tu)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，然後小幅下降，再小幅上升，在環境溫度為220℃以前

，變壓器的原邊與副本電感量的整體趨勢是逐漸增加，當溫度達到220℃，磁ci芯xin溫wen度du達da到dao居ju壁bi點dian

，線xian圈quan的de電dian感gan量liang迅xun速su降jiang為wei零ling。對dui於yu不bu同tong磁ci芯xin材cai料liao的de變bian壓ya器qi其qi居ju裏li點dian溫wen度du有you所suo不bu同tong，對dui於yu此ci類lei變bian壓ya器qi，可ke知zhi居ju裏li溫wen度du在zai220℃附近。當變壓器溫度接近居裏點時
，變壓器電感量會迅速減小，會導致輸出電壓迅速下降。 實(shi)驗(yan)中(zhong)還(hai)測(ce)試(shi)了(le)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)的(de)其(qi)他(ta)電(dian)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)。在(zai)整(zheng)個(ge)加(jia)熱(re)階(jie)段(duan)，其(qi)他(ta)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)很(hen)小(xiao)，與(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)電(dian)感(gan)量(liang)變(bian)化(hua)相(xiang)比(bi)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)。而(er)且(qie)在(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)電(dian)感(gan)量(liang)下(xia)降(jiang)的(de)階(jie)段(duan)，其(qi)他(ta)電(dian)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)變(bian)化(hua)仍(reng)然(ran)較(jiao)小(xiao)。

weilexiaozhenghuanjingwenduyumokuaiyinzishengreshenggaodewendu，xuanzeyimokuai
，jiangmokuaiwaikechuankong
，bingjiangganwenxianfangdaobianyaqideyuankongneibu，ceshibianyaqidewendu，tongguoduiceshishujuchuli，dedaobianyaqiwenduyuhuanjingwendudeguanxihanshu：y=1．18x+13。可見變壓器的溫度遠高於電源模塊的工作溫度。當環境溫度為150℃，感溫線測試的結果約190℃
，由(you)於(yu)感(gan)溫(wen)線(xian)測(ce)試(shi)點(dian)是(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)圓(yuan)孔(kong)內(nei)部(bu)的(de)空(kong)氣(qi)，不(bu)是(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)磁(ci)芯(xin)溫(wen)度(du)，因(yin)此(ci)感(gan)溫(wen)線(xian)的(de)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)比(bi)實(shi)際(ji)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)溫(wen)度(du)要(yao)低(di)很(hen)多(duo)
，由(you)此(ci)可(ke)以(yi)判(pan)斷(duan)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)磁(ci)芯(xin)溫(wen)度(du)將(jiang)接(jie)近(jin)居(ju)裏(li)點(dian)，因(yin)此(ci)當(dang)模(mo)塊(kuai)的(de)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)超(chao)過(guo)150℃時
，模塊中變壓器的溫度將達到變壓器磁芯的居裏點溫度，此時模塊的輸出電壓幾乎為零。

2．2 脈寬調製解調器(PWM)

PWM的主要功能是根據輸出反饋，調節脈衝波形的占空比，並驅動功率器件，從而得到穩定的直流輸出電壓。

在該型號電源模塊中

，PWM-SG3524的功能是提供兩路方波信號給三極管和VDMOS，並根據方波信號的寬度控製VDMOS的導通與關斷時間。在此試驗中，對電路工作狀態的PWM-SG3524單獨加溫
，並測試輸出方波信號與溫度的關係
，測得波形沒有明顯變化；在加溫的同時對模塊的輸入、輸出電流電壓進行記錄，發現隨著PWM所在環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導致電參數變化與模塊整體加熱電參數相比可以忽略。證明PWM-SG3524對模塊的溫度特性影響較小。

2．3 VDMOS

VDMOS(垂直雙擴散場效應晶體管)在模塊電路中作為開關器件
，在感性負載下工作，承受高尖峰電壓和大電流，具有較高的開關損耗和溫升

，其開關頻率可高達130 kHz
，在這樣高的頻率下工作，可能引起內部多種退化機製
，導致VDMOS的性能下降，甚至失效。

在本實驗中對模塊中的VDMOS單獨加溫，測試模塊電學參數的變化，通過測試得到當溫度到180℃時，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。此外計算模塊的輸出效率，判斷模塊是否處在正常工作狀態

，通過計算可到對VDMOS單獨加熱到180℃時，模塊的輸入電流迅速增加。而當溫度升至220℃
，輸出電壓幾乎沒有變化，由於模塊在150℃已經失效
，而此時單獨加熱溫度已經高達180℃
，遠高於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zai模mo塊kuai中zhong使shi用yong的de二er極ji管guan有you穩wen壓ya二er極ji管guan，整zheng流liu二er極ji管guan，其qi中zhong整zheng流liu二er極ji管guan在zai電dian壓ya轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong扮ban演yan了le重zhong要yao的de角jiao色se。在zai變bian壓ya器qi的de輸shu出chu端duan，兩liang個ge整zheng流liu二er極ji管guan在zai不bu同tong時shi段duan導dao通tong，使shi交jiao流liu脈mai動dong電dian壓ya轉zhuan換huan為wei直zhi流liu脈mai動dong。在zai本ben實shi驗yan中zhong
，對dui電dian路lu中zhong的deSBD單獨加熱
，發現隨著溫度的升高，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境下

，SBD不是引起模塊輸出電壓下降的主要因素。
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2．5 光電耦合器

光電耦合器(以下簡稱光耦)以光為媒介傳輸電信號。它對輸入，輸出電信號有良好的隔離作用。光耦一般由3部分組成：光的發射
、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管(LED)，使之發出一定波長的光
，它被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大後輸出。這就完成了電一光一電的轉換
，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由於光耦輸入輸出間互相隔離
，電信號傳輸具有單向性等特點
，因而具有良好的電絕緣能力和抗幹擾能力。

在模塊中，光耦作為隔離輸入、輸出的重要部件，同時將輸出端比較放大器輸出的電流信號傳輸到PWM的9腳，而9腳是PWM的補償端，它與比較器的反向輸入端相連，控製PWM的11腳和14腳輸出脈衝的寬度。從而調整模塊的輸出電壓保持穩定。

在本實驗中，首先測試模塊中使用的光耦NEC2705的輸入端電流與輸出端電流的比例係數隨溫度的變化，輸入端所加電流為11 mA，結果表明在25℃時
，該光耦的電流傳輸比接近1：1，但是隨著溫度的升高，輸入電流不變，輸出端的電流逐漸減小
，大約每升高10℃，光耦的電流傳輸比減小4％，結果如圖4所示。 然後對工作狀態中模塊的光耦單獨加熱(模塊光耦較大，可取下焊線後單獨加熱)，測量模塊的輸出電壓，見圖5。發fa現xian隨sui著zhe溫wen度du韻yun升sheng高gao，模mo塊kuai電dian壓ya逐zhu漸jian下xia降jiang，且qie與yu模mo塊kuai整zheng體ti加jia熱re時shi測ce得de的de輸shu出chu電dian壓ya隨sui溫wen度du上shang升sheng而er下xia降jiang趨qu勢shi基ji本ben符fu合he。通tong過guo分fen析xi可ke知zhi，隨sui著zhe環huan境jing溫wen度du的de升sheng高gao，電dian源yuan模mo塊kuai各ge元yuan件jian的de功gong耗hao增zeng加jia，將jiang導dao致zhi模mo塊kuai的de輸shu出chu電dian壓ya的de下xia降jiang，此ci時shi應ying當dang通tong過guo光guang耦ou連lian接jie的de反fan饋kui電dian路lu，使shi得dePWM輸出的脈寬增加，提高輸出端的電壓，但是由於光電耦合器的傳輸效率下降，不能完全將負反饋的結果傳輸給PWM。使得PWM輸出脈寬比實際較窄，即電壓調整能力降低
，使輸出電壓隨環境溫度上升而下降。

3 結語

綜上所述
，模塊溫度特性表現為：在溫度小於150℃的時候，模塊的輸出電壓緩慢下降
，原因是由於光耦電流傳輸比的下降引起
；當溫度大於150℃時
，電源模塊輸出電壓迅速下降
，甚至輸出電壓幾乎為零，其原因是此時模塊中變壓器的磁芯溫度接近居裏點溫度(220℃)。變bian壓ya器qi作zuo用yong失shi效xiao所suo引yin起qi。在zai此ci情qing況kuang中zhong
，如ru果guo模mo塊kuai內nei部bu沒mei有you產chan生sheng其qi他ta的de損sun傷shang
，當dang停ting止zhi加jia熱re，模mo塊kuai溫wen度du恢hui複fu到dao室shi溫wen
，模mo塊kuai重zhong新xin加jia電dian
，模mo塊kuai輸shu出chu電dian壓ya仍reng能neng恢hui複fu到dao正zheng常chang值zhi。然ran而er，對dui於yu本ben實shi驗yan中zhong測ce試shi的de模mo塊kuai，當dang環huan境jing溫wen度du超chao過guo150℃zuoyoushi，youyumokuaibianyaqidecixinwendudadaojulidian
，shicixinwendushenggao，gaizhengfankuihuishicixinwenduxunsushenggao
，chanshengdereliangyegengduo，zaochengmokuaineibuqitaqijiandesunhuai，henrongyizaochengmokuaideyongjiusunhui。