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DC-DC電源模塊老化屬于功率老化，其老化方法是在常溫條件下，控制被試器件的殼溫不超過其最高工作溫度，按額定電壓、電流，滿載進行長達48H的老化。

 

2018-2022年模塊老化工作量逐年遞增。受限于原先的HTD-690N2系統(tǒng)和老化板散熱問題，單次試驗的實際老化數(shù)量與理論數(shù)量存在較大差距。

 

本文以此背景，改進了系統(tǒng)排熱和夾具散熱，實現(xiàn)了提高單次試驗實際老化數(shù)量的目的。本次開發(fā)了實用性廣、結構簡單、操作方便的老化夾具，可供其他系統(tǒng)用老化夾具借鑒，達到更好控制殼溫的效果。

 

DC-DC電源模塊老化的基本方法

 

在進行高溫動態(tài)功率老化試驗的過程中，HTD-690N2系統(tǒng)給DC-DC電源模塊施加了兩種應力條件，即輸出負載100%和最大殼溫值，從而令其在全滿額的情況下連續(xù)48小時工作，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箱決定。因半導體工藝、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。

 

DC-DC電源模塊老化的難點分析

 

以檢測中心HTD-690N2系統(tǒng)為例，整機由12個獨立的單通道組成，設備本身配有60V/15A和400V/2A的兩種電源負載可供選擇。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5A。在考慮第一種應力（輸出負載100%）施加條件的情況下，單個通道的理論單次老化數(shù)量可由公式算出：

 

 

當＜5A時，則需要進行并聯(lián)分流，降低單路電流。

 

這里以V24C5C50BL和V375B5T150BL為例，簡要闡述如何計算得出理論的單通道老化數(shù)量。V24C5C50BL的輸入電壓為24V，輸入功率為59.2W，輸出電壓為5V，輸出功率為50W。V375B5T150BL的輸入電壓為375V，輸入功率180W，輸出電壓5W，輸出功率150W。理論上需滿足×塊數(shù)＜15A（或2A）,且當＜5A是無需并聯(lián)分流， ＜5A時需要并聯(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＞5A，需要進行并聯(lián)分流，降低單路電流，進而滿足，可得理論單通道老化最大數(shù)量為2塊。

 

實際在加入第二種應力（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)部風扇對DC-DC電源模塊進行殼溫控制，但由于烘箱的設定溫度=

（為參數(shù)手冊電源模塊指標允許的最大殼溫值，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℃，遠超出設備本身所能達到的硬件能力，無法靠單一風扇實現(xiàn)散熱需求。所以在裝機過程中，不可避免的出現(xiàn)了妥協(xié)，導致單次高溫動態(tài)功率老化試驗的數(shù)量與理想狀況下相差甚遠，驗證影響高溫動態(tài)功率老化試驗的效率，具體情況見表1。

 

表1 HTD-690N2系統(tǒng)DC-DC電源模塊高溫動態(tài)老化試驗模塊安裝數(shù)量情況

 

 

因此，想進一步提高每次高溫動態(tài)老化試驗的安裝總數(shù)，就需要有效的控制DC-DC電源模塊的外殼溫度。

 

DC-DC電源模塊老化實驗方案改進

 

為了能在試驗時能夠更有效地控制DC-DC電源模塊的殼溫，采用熱傳導和風冷結合的方式來解決模塊的散熱問題，對老化試驗方案進行如下改進：

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行模塊固定，增加散熱片數(shù)量，增大散熱面積，該方式即實現(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為老化母板側視圖。圖3為老化夾具實物圖。

 

 

1-連接器；2-正負電壓電流輸入線；3-20路電壓電流輸出線；4-溫度采樣數(shù)據(jù)線；5-老化工位；8-老化工位并聯(lián)接口；9-熱電偶

圖1 老化母板正視圖

 

 

圖2 老化母板側視圖

 

 

圖3 新夾具實物圖

 

2）增強HTD-690N2系統(tǒng)排熱能力。由于箱體是通過吸入較低的室溫進行熱量交換的，因此熱交換能力的上限有一定的限值。實際應用中，為了能同時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型高溫試驗箱，該試驗箱設計換氣量為100m³/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500W（即為理論上被試電源模塊的最大發(fā)熱量）。以電源模塊轉換能力為88%~90%計，自身損耗為10%~12%，單塊模塊的耗散功率在30~60W左右，因此一臺設備最大帶載總功率約1～2kW。因此，為改善設備散熱，提高單次老化試驗電源模塊數(shù)量，同時考慮風阻、熱傳導效率等因素，至少需將設備換氣量增加1倍以上。對此，實驗室采用了在總管道靠近外墻一端加裝管道增壓風機（HDD-2000P型靜音管道風機，通風量690m³/h）的方式，同時引入了第二個直徑20cm的引熱管道。增壓風機可在管道內(nèi)形成一定的負壓，一來可以減少各溫箱之間的串擾，另外也可以有效增加排熱流量，從而達到增加整個系統(tǒng)排熱的能力。圖4為改進后的排風系統(tǒng)。

 

 

圖4 HTD-690N2設備排風系統(tǒng)

 

實際效果驗證

 

通過對老化夾具的優(yōu)化和HTD-690N2機箱排風系統(tǒng)的優(yōu)化，在滿足輸出負載100%和最大殼溫值兩大應力條件的情況下，再次對上述DC-DC電源模塊進行裝機試驗，結果見表2。

 

表2 改進后模塊安裝數(shù)量對比情況

 

 

由此可見，經(jīng)過上述兩項改進措施的實施，改進后的HTD-690N2系統(tǒng)單次試驗安裝總數(shù)明細上升，有效的提高了單次高溫動態(tài)功率老化試驗效率。

 

結語

 

綜上所述，從數(shù)據(jù)看，通過對老化夾具的改造和系統(tǒng)排熱能力的提升，實現(xiàn)了提高單次高溫動態(tài)功率老化試驗效率的目的。從過程看，本次開發(fā)的老化夾具適用性廣、結構簡單、操作方便、散熱性強，也可供其他系統(tǒng)用老化夾具借鑒學習，達到更好的殼溫控制效果。

 

引用本文：

 

武翰.基于HTD-690N2系統(tǒng)的DC-DC電源模塊老化試驗效率提升方案設計[J].環(huán)境技術,2022,40(02):136-139.