大功率DC／DC變換器的研制

0引言

　　慣導(dǎo)系統(tǒng)專用DC／DC電源(28.5 V)主要功能是隔離和穩(wěn)定彈上供電電壓，保證彈上電源在較大范圍波動(dòng)時(shí)能提供精密穩(wěn)定的電壓，一般情況下，受彈上舵機(jī)等其他設(shè)備工作的影響，彈上電源的波動(dòng)和干擾很大。

　　為此，本文采用氮化鋁基板、混合集成技術(shù)和裸芯片組裝工藝，給出了一種高可靠而且重量輕、體積小、輸出功率較大的200 W直流／直流變換器的研制過(guò)程。該DC／DC變換器可替代進(jìn)口產(chǎn)品，也可推廣應(yīng)用到其他型號(hào)的機(jī)載或彈用設(shè)備系統(tǒng)中。

1 電路設(shè)計(jì)

　　該DC／DC變換器在原理上采用雙管推挽拓?fù)?兩路串聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)，每路承擔(dān)100 W的輸出功率。由于是兩路串聯(lián)，故只要保證每路輸出電壓一樣，就可使每路輸出功率一樣，從而避免了并聯(lián)技術(shù)所要采取的均流技術(shù)等復(fù)雜措施。每路電路則采用脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)，并通過(guò)推挽功率變換，變壓器耦合傳輸，再經(jīng)整流、濾波后得到相應(yīng)的輸出電壓，最后經(jīng)光耦的反饋來(lái)調(diào)整脈沖導(dǎo)通時(shí)間，從而得到精確的輸出電壓。

　　該變換器的電路原理框圖如圖1所示。每路電路均由輸入濾波電路、推挽式功率轉(zhuǎn)換電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路組成。推挽電路由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變壓器工作在磁滯回線I、Ⅲ象限，且工作中沒(méi)有直流分量，不易飽和。相對(duì)于有直流分量的單端電路而言，在傳遞同等功率時(shí)，變壓器的尺寸要相對(duì)小些。輸出全波整流后，脈沖頻率將提高一倍，因此，濾波電容可以減小，以有利于小型化。主電路經(jīng)整流濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣與精密基準(zhǔn)比較放大后，其誤差信號(hào)通過(guò)光耦反饋給脈寬調(diào)制器，以調(diào)制其驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖寬度，從而控制功率開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。系統(tǒng)中的輔助電源主要提供PWM控制器的工作電壓。

2工藝設(shè)計(jì)

　　該變換器可采用AIN高溫共燒基板制造工藝及厚膜成膜、厚膜組裝工藝制造。圖2所示是AIN高溫共燒基板制造工藝流程圖，其組裝工藝流程如圖3所示。

　　成膜工藝流程如下：

　　1基片處理→2掩模制版→3金導(dǎo)體印制→4烘干燒成→5介質(zhì)印制→6烘干燒成→7PdAg導(dǎo)體印制→8烘干燒成→9電阻印制→10烘干燒成→11玻璃印制→12烘干燒成→13金屬化印制→14烘干燒成→15激光調(diào)阻→16成膜專檢。

3關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3.1方案設(shè)計(jì)問(wèn)題

　　由于此電路要求輸出功率高達(dá)200 W，因此，總體方案的選擇尤為重要。從理論上講，實(shí)現(xiàn)200 W的DC／DC變換器輸出有三種可行方案：一是單路輸出，二是兩路并聯(lián)輸出，三是兩路串聯(lián)輸出。第一種方案線路最為簡(jiǎn)單，但要求變壓器應(yīng)有200 W以上的傳輸功率，經(jīng)過(guò)計(jì)算，至少要選用φ2213的磁罐，這樣，加上底板厚度2.5 mm、蓋板0.5 mm、變壓器粘接膜厚以及變壓器和上蓋板之間的間距至少要保留0.5 mm以上，其總高度已超過(guò)16.5 mm，而設(shè)計(jì)要求的最大高度為15mm。第二種方案為VICOR公司采用的N+1方案，但由于電路啟動(dòng)或工作時(shí)電流分配不均勻易造成電路損壞，所以采用這種方案一般要應(yīng)用均流技術(shù)，這樣將增加電路的復(fù)雜程度，也延長(zhǎng)了研制周期。考慮到此電路的輸出電壓較高(28.5 V)，第三種方案應(yīng)是實(shí)現(xiàn)本電路的最佳方案，因?yàn)椴捎么?lián)技術(shù)只要每路輸出電壓一樣就可保證輸出功率一樣，這樣可避免輸出功率的不均勻，而輸出電壓一樣只要通過(guò)功能調(diào)就可保證。由于電路總的輸出電壓為28.5 V。每路的輸出電壓有14 V多，因而不必?fù)?dān)心因電壓過(guò)低而影響效率。DC／DC變換器輸出功率大于100 W的技術(shù)已經(jīng)成熟。因此，無(wú)論從方案的可行性．還是從實(shí)施的進(jìn)度來(lái)講，第三種方案都是實(shí)現(xiàn)本課題的最佳方案。

3.2電路設(shè)計(jì)問(wèn)題

　　(1)線路的優(yōu)化

　　設(shè)計(jì)時(shí)，可先用計(jì)算機(jī)軟件仿真出最佳工作頻率、變壓器參數(shù)和關(guān)鍵電感電容的參數(shù)。對(duì)DC／DC電源而言，高頻變壓器的設(shè)計(jì)是首先要考慮的關(guān)鍵內(nèi)容，而變壓器設(shè)計(jì)的核心則是其初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)的確定。設(shè)計(jì)時(shí)，可采用以下公式來(lái)計(jì)算初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)：

　　式中，Np為初級(jí)線圈匝數(shù)，Vp為加在變壓器初級(jí)的電壓，f為變壓器的開(kāi)關(guān)頻率，Bmax是最大磁通密度，Ae為磁芯有效截面積(cm2)。事實(shí)上，如果不考慮肖特基二級(jí)極管上的壓降，則次級(jí)線圈匝數(shù)為：

　　其中，VO為輸出電壓，δmax是脈沖導(dǎo)通最大占空比，Vin min是輸入電壓最小值。

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算得到變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)的理論值后，可再經(jīng)過(guò)試驗(yàn)以進(jìn)行效驗(yàn)。為了減小漏感影響，此電路的設(shè)計(jì)采用初級(jí)和次級(jí)漆包線相互交叉繞制的方法。為了減少趨膚效應(yīng)造成的損耗，變壓器采用多線并繞的方法。

　　(2)元器件的設(shè)計(jì)

　　選取高品質(zhì)的元器件(如日本TDK磁罐、低損耗的VMOS開(kāi)關(guān)管、肖特基二極管等)可降低每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的功率損耗。輸入、輸出濾波電路應(yīng)采用可靠性較高的片式獨(dú)石電容作為濾波電容，應(yīng)避免鉭電容在高溫功率老化時(shí)容易出現(xiàn)的失效，有效提高電路的可靠性。

　　(3)平面轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　版圖設(shè)計(jì)時(shí)，流過(guò)大電流回路的導(dǎo)帶應(yīng)盡量短、粗且靠近引腳，并應(yīng)采用兩次印刷，加厚導(dǎo)帶層，以減小導(dǎo)帶電阻，降低損耗。功率管上壓焊的鋁絲應(yīng)選用300μm的材料，輸入和輸出電容端頭的鈀銀焊區(qū)上應(yīng)鍍一層錫，變壓器的漆包線盡可能地粗或用多股細(xì)線。

　　(4)熱設(shè)計(jì)

　　在布局上，熱源要均勻分布，不要集中于某一局部，尤其是VMOS管、肖特基管。可選用高導(dǎo)熱材料ALN做基板以減小熱阻，快速散熱，避免局部溫升過(guò)高。由于本產(chǎn)品所需的基片較大，為避免機(jī)械沖擊可能造成的損傷，應(yīng)把基片分成四塊(2塊ALN基板和2塊A12O3基板)來(lái)增加產(chǎn)品的可靠性。本產(chǎn)品的主要熱源有15個(gè)，分別是4個(gè)VMOS管、8個(gè)肖特基二極管、2個(gè)變壓器和1個(gè)電感。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)把變壓器和電感直接粘在底座的中部，以便于最大可能地散熱，同時(shí)把4個(gè)VMOS管均勻地放在左側(cè)的ALN基片上，而把8個(gè)肖特基二極管均勻地放在右側(cè)的ALN基片上，這樣，15個(gè)熱源相對(duì)均勻分散放置，有利于產(chǎn)品熱量的散發(fā)，避免局部過(guò)熱。變壓器、電感的引出端焊點(diǎn)盡量靠近其本身，并應(yīng)避免引線過(guò)長(zhǎng)，引起不必要的銅損與干擾。而對(duì)相應(yīng)的鈀銀焊區(qū)進(jìn)行敷錫，既可方便手工焊接，又可降低接觸電阻和線間損耗。功率管載流焊在基板上，并將基板焊在底座上，這樣有利于減少內(nèi)熱阻，降低損耗。

　　在做老化和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)時(shí)，還應(yīng)在產(chǎn)品和散熱片之間加導(dǎo)熱布或?qū)峁柚詼p小熱阻，同時(shí)減小損耗降低溫升。

　　(5)低溫啟動(dòng)和高溫自激問(wèn)題的解決 由于本課題研究的DC／DC變換器的輸出功率高達(dá)200W以上，輸出電流在7 A以上，電路內(nèi)部的電流變換率和電壓變換率很大，元器件承受的應(yīng)力也很大，因此，DC／DC變換器很容易處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因而必須小心地設(shè)計(jì)電路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)，誤差放大、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)都是帶負(fù)反饋的誤差放大器，因此，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在本課題的研制過(guò)程中，低溫啟動(dòng)和高溫自激曾長(zhǎng)時(shí)間困擾著課題組，低溫啟動(dòng)的不確定性，更增加了解決的難度。最終，課題組通過(guò)選擇補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)元器件的參數(shù)，精心設(shè)計(jì)并反復(fù)試驗(yàn)，從而攻克了這兩個(gè)難題，保證了DC／DC變換器穩(wěn)定地工作。

3.3工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題

　　由于此電路是大功率混合集成電路，輸出功率高達(dá)200 W，電路內(nèi)部功耗高達(dá)30 W，采用常規(guī)的工藝已不能滿足要求，故應(yīng)尋求新材料，并采用新工藝。

　　氮化鋁(AlN)基板以其熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)與硅接近，機(jī)械強(qiáng)度高，電性能優(yōu)良等綜合特點(diǎn)，而成為功率MCM的理想基板。由于AlN與Si的膨脹系數(shù)相接近，AlN基板與Si之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小。由于AlN可以克服Al2O3瓷與硅片熱膨脹系數(shù)不匹配的缺點(diǎn)，故可使得采用AlN作基板的MCM具有更高的可靠性。ALN具有六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，質(zhì)輕(相對(duì)密度為3.6)、強(qiáng)度高、禁帶寬(Eg=6.2 eV)，抗電強(qiáng)度、體電阻率和介電常數(shù)均優(yōu)良。其最大優(yōu)點(diǎn)是具有高熱導(dǎo)率(AlN的熱導(dǎo)率是120～160 W／m.K，而一般的Al2O3的熱導(dǎo)率是30 W／m.K)，因此ALN更適合于制作高集成度、高壓、高速、大功率電路用厚膜混合集成電路的基板。

　　基于以上原因，本課題組決定選用ALN基片作為大功率器件的基板，并把功耗較大的VMOS管、肖特基二極管分布在ALN基板上。為防止基片過(guò)大沖擊造成損壞，制作時(shí)特設(shè)計(jì)了四塊基板(兩塊ALN基片和兩塊Al2O3基片)。

　　本課題標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定漏氣率需≤1×10-2Pa.cm3／s，經(jīng)過(guò)綜合考慮和對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用陶瓷絕緣子密封的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)均優(yōu)于玻璃絕緣子，故采用陶瓷絕緣子密封。

4結(jié)束語(yǔ)

　　該DC／DC變換器的輸出功率高達(dá)200 W，外形尺寸為120.8 mm×76 min×15.5 mm，是國(guó)內(nèi)迄今為止研制的最大功率和最大體積混合集成電源。由于采用了MCM技術(shù)和DC／DC變換器技術(shù)的結(jié)合，因而在客觀上拓寬了DC／DC變換器的大功率輸出范圍，并為混合集成DC／DC變換器實(shí)現(xiàn)更大功率提供了可能性。