基于HTD-690N2系統(tǒng)的DC-DC電源模塊老化試驗(yàn)效率提升方案設(shè)計(jì)

武翰

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 222006）

引言

DC-DC電源模塊是一種運(yùn)用功率半導(dǎo)體開關(guān)實(shí)現(xiàn)DC-DC功率變換的開關(guān)電源。因其具有隔離作用，體積小，精度高，噪聲低，輸出穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，近年來被越來越多的應(yīng)用在軍工、航天、電力、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域。

高溫動(dòng)態(tài)功率老化試驗(yàn)是一種讓產(chǎn)品在應(yīng)力下（電應(yīng)力和熱應(yīng)力）工作一段時(shí)間以穩(wěn)定其特性的方法，是提高DC-DC電源模塊產(chǎn)品批次可靠性的有效手段。經(jīng)過老化，可剔除有潛在缺陷的早期失效產(chǎn)品，使其度過早期失效期，迅速進(jìn)入穩(wěn)定期，進(jìn)而保證了DC-DC電源模塊產(chǎn)品的最終使用可靠性，是DC-DC電源模塊篩選流程中的必要工序。

本文針對(duì)檢測(cè)中心現(xiàn)有的HTD-690N2系統(tǒng)，通過對(duì)試驗(yàn)夾具、設(shè)備箱體排風(fēng)等措施的改進(jìn)，嘗試增加單次老化試驗(yàn)DC-DC電源模塊數(shù)量，以達(dá)到提高老化試驗(yàn)的效率降低了產(chǎn)品的交付時(shí)間的目的。

1 DC-DC電源模塊老化的基本方法

在進(jìn)行高溫動(dòng)態(tài)功率老化試驗(yàn)的過程中，HTD-690N2系統(tǒng)給DC-DC電源模塊施加了兩種應(yīng)力條件，即輸出負(fù)載100 %和最大殼溫值，從而令其在全滿額的情況下連續(xù)48 h工作，以此來剔除早期失效產(chǎn)品。額定電源電壓與滿載由系統(tǒng)本身決定，而最大殼溫值由溫度可控的高溫試驗(yàn)箱決定。因半導(dǎo)體工藝、模塊電源功率密度、外殼受熱溫度不均勻等因素的影響，散熱性受到了很大程度的制約。

2 DC-DC電源模塊老化的難點(diǎn)分析

以檢測(cè)中心HTD-690N2系統(tǒng)為例，整機(jī)由12個(gè)獨(dú)立的單通道組成，設(shè)備本身配有60 V/15 A和400 V/2 A的兩種電源負(fù)載可供選擇。老化夾具母板具備5塊老化工位，20路輸出，輸出電流最大單路不超過5 A。在考慮第一種應(yīng)力（輸出負(fù)載100 %）施加條件的情況下，單個(gè)通道的理論單次老化數(shù)量可由公式算出：

這里以V24C5C50BL和V375B5T150BL為例，簡(jiǎn)要闡述如何計(jì)算得出理論的單通道老化數(shù)量。V24C5C50BL的輸入電壓為24 V，輸入功率為59.2 W，輸出電壓為5 V，輸出功率為50 W。V375B5T150BL的輸入電壓為375 V，輸入功率180 W，輸出電壓5 W，輸出功率150 W。理論上需滿足，且當(dāng)是無需并聯(lián)分流，時(shí)需要并聯(lián)分流。即V24C5C50BL滿足，可得理論單通道老化最大數(shù)量為5塊；V375B5T150BL因，需要進(jìn)行并聯(lián)分流，降低單路電流，進(jìn)而滿足，可得理論單通道老化最大數(shù)量為2塊。

實(shí)際在加入第二種應(yīng)力（TCMAX最大殼溫值）施加條件后，雖然原先HTD-690N2系統(tǒng)配備了散熱的內(nèi)部風(fēng)扇對(duì)DC-DC電源模塊進(jìn)行殼溫控制，但由于烘箱的設(shè)定溫度TA=TCMAX-θCA×PC（TCMAX為參數(shù)手冊(cè)電源模塊指標(biāo)允許的最大殼溫值，θCA為電源模塊散熱基板到環(huán)境的熱阻，為電源模塊的耗散功率）一般為-70 ℃，遠(yuǎn)超出設(shè)備本身所能達(dá)到的硬件能力，無法靠單一風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)散熱需求。所以在裝機(jī)過程中，不可避免的出現(xiàn)了妥協(xié)，導(dǎo)致單次高溫動(dòng)態(tài)功率老化試驗(yàn)的數(shù)量與理想狀況下相差甚遠(yuǎn)，驗(yàn)證影響高溫動(dòng)態(tài)功率老化試驗(yàn)的效率，具體情況見表1。

表1 HTD-690N2系統(tǒng)DC-DC電源模塊高溫動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)?zāi)K安裝數(shù)量情況

因此，想進(jìn)一步提高每次高溫動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)的安裝總數(shù)，就需要有效的控制DC-DC電源模塊的外殼溫度。

3 DC-DC電源模塊老化試驗(yàn)方案改進(jìn)

為了能在試驗(yàn)時(shí)能夠更有效地控制DC-DC電源模塊的殼溫，采用熱傳導(dǎo)和風(fēng)冷結(jié)合的方式來解決模塊的散熱問題，對(duì)老化試驗(yàn)方案進(jìn)行如下改進(jìn)：

1）制作一種DC-DC電源模塊用老化夾具，包括老化母板、老化子板、短路連接板。通過帶有翅片式散熱器和熱電偶傳感器的快速鎖緊裝置進(jìn)行模塊固定，增加散熱片數(shù)量，增大散熱面積，該方式即實(shí)現(xiàn)了散熱和溫度監(jiān)控，克服了老化夾具散熱效率低的不足。圖1為老化母板正視圖，圖2為老化母板側(cè)視圖。圖3為老化夾具實(shí)物圖。

圖1 老化母板正視圖

圖2 老化母板側(cè)視圖

圖3 新夾具實(shí)物圖

2）增強(qiáng)HTD-690N2系統(tǒng)排熱能力。由于箱體是通過吸入較低的室溫進(jìn)行熱量交換的，因此熱交換能力的上限有一定的限值。實(shí)際應(yīng)用中，為了能同時(shí)老化更多的功率器件，一方面要盡可能使室內(nèi)處于較低的溫度，一方面要及時(shí)將電源模塊器件老化所產(chǎn)生的高溫氣體通過特定管道引排至室外，以維持高溫箱體環(huán)境溫度的相對(duì)穩(wěn)定。

HTD-690N2系統(tǒng)選用的是廣五所生產(chǎn)的PH201型高溫試驗(yàn)箱，該試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)換氣量為100 m3/h，在室溫條件下，溫箱最高平衡能力（100 ℃箱體環(huán)境溫度）約為500 W（即為理論上被試電源模塊的最大發(fā)熱量）。以電源模塊轉(zhuǎn)換能力為88～90 %計(jì)，自身損耗為10～12 %，單塊模塊的耗散功率在30～60 W左右，因此一臺(tái)設(shè)備最大帶載總功率約1～2 kW。因此，為改善設(shè)備散熱，提高單次老化試驗(yàn)電源模塊數(shù)量，同時(shí)考慮風(fēng)阻、熱傳導(dǎo)效率等因素，至少需將設(shè)備換氣量增加1倍以上。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)室采用了在總管道靠近外墻一端加裝管道增壓風(fēng)機(jī)（HDD-2000P型靜音管道風(fēng)機(jī)，通風(fēng)量690 m3/h）的方式，同時(shí)引入了第二個(gè)直徑20 cm的引熱管道。增壓風(fēng)機(jī)可在管道內(nèi)形成一定的負(fù)壓，一來可以減少各溫箱之間的串?dāng)_，另外也可以有效增加排熱流量，從而達(dá)到增加整個(gè)系統(tǒng)排熱的能力。圖4為改進(jìn)后的排風(fēng)系統(tǒng)。

圖4 HTD-690N2設(shè)備排風(fēng)系統(tǒng)

4 實(shí)際效果驗(yàn)證

通過對(duì)老化夾具的優(yōu)化和HTD-690N2機(jī)箱排風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，在滿足輸出負(fù)載100 %和最大殼溫值兩大應(yīng)力條件的情況下，再次對(duì)上述DC-DC電源模塊進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 改進(jìn)后模塊安裝數(shù)量對(duì)比情況

由此可見，經(jīng)過上述兩項(xiàng)改進(jìn)措施的實(shí)施，改進(jìn)后的HTD-690N2系統(tǒng)單次試驗(yàn)安裝總數(shù)明細(xì)上升，有效的提高了單次高溫動(dòng)態(tài)功率老化試驗(yàn)效率。

5 結(jié)語

綜上所述，從數(shù)據(jù)看，通過對(duì)老化夾具的改造和系統(tǒng)排熱能力的提升，實(shí)現(xiàn)了提高單次高溫動(dòng)態(tài)功率老化試驗(yàn)效率的目的。從過程看，本次開發(fā)的老化夾具適用性廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、散熱性強(qiáng)，也可供其他系統(tǒng)用老化夾具借鑒學(xué)習(xí)，達(dá)到更好的殼溫控制效果。