- 頭條全浸式液汽相變冷卻方式下，開關電源貼片電阻為什么失效？2021-02-27 作者：溫英科 阮琳 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語隨著電力電子技術的發展，開關電源作為供電裝置廣泛應用于通信、能源、航空航天等領域，高功率密度、高可靠性是其發展方向。因過熱問題引發故障繼而導致可靠性降低成為開關電源功率密度提升的瓶頸。全浸式液汽相變冷卻技術冷卻效率高、安全可靠，是實現開關電源高效散熱的新途徑。對于全浸式液汽相變冷卻開關電源，相變冷卻的工作介質與電源器件直接接觸，電源中與高電壓相連的貼片電阻發生了阻值上升甚至斷路現象，影響開關電源的穩定運行。 中國科學院電工研究所、中國科學院大學的研究人員溫英科、阮琳，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文，通過宏觀信號監測和微觀材料分析手段，得到了工作介質環境下貼片電阻失效的外部影響因素及內在機理，明確了可在工作介質環境下穩定工作的貼片電阻結構特征。研究成果可為全浸式液汽相變冷卻開關電源提供器件選型及設計指導，對提高全浸式液汽相變冷卻開關電源運行可靠性，完善液汽相變冷卻技術應用于電力電子裝備的理論體系具有重要的理論意義及應用價值。
隨著開關電源高頻化、小型化，其發熱問題變得不可忽視。傳統冷卻技術中存在空冷（自然對流，強迫風冷）散熱能力有限、強迫水冷散熱系統復雜、可靠性低的現狀，開關電源迫切需要一種冷卻能力強、安全可靠、維護方便的冷卻方式。
與空冷、水冷依靠冷卻介質吸收顯熱帶走熱量的方式截然不同，全浸式液汽相變冷卻技術利用高絕緣、低沸點的有機工質（下文簡稱工作介質）受熱沸騰時的汽化潛熱帶走熱量，其冷卻能力遠高于傳統冷卻方式。
作為一種安全、高效的散熱方式，液汽相變冷卻技術已經成功應用于發電設備、低壓電器設備以及大科學儀器等裝置，目前已經在電力電子設備中實現示范應用，有望在開關電源冷卻領域成功應用，實現開關電源高效散熱、高功率密度和高可靠性的目標。
全浸式液汽相變冷卻開關電源，電源模塊直接浸沒于工作介質中，不僅具有穩態溫升低、穩態溫度分布均勻的優點，且電源在開機過程中溫度變化率低，關機過程中無瞬間溫度過沖，減小了溫度變化帶來的熱沖擊和熱應力。此外，全浸式液汽相變冷卻開關電源無需特殊的風道設計，在器件布局靈活性及縮小電源體積、提高電源功率密度方面有較大優勢。
然而，由于工作介質直接與電源器件接觸，實際應用中，某型號全浸式液汽相變冷卻開關電源運行一段時間后（約20～30天），出現母線電壓上升的問題，如圖1所示。
圖1 全浸式液汽相變冷卻開關電源母線電壓上升
依據電路反饋控制原理，母線電壓上升是由于母線電壓采樣值偏低導致，而母線電壓采樣值偏低是由于采樣電路中采樣電阻阻值變化引起的。通過對故障電源母線電壓采樣電路進行故障診斷發現，母線電壓采樣電路中與母線電壓相連的貼片電阻發生了阻值上升甚至斷路現象，通過更換采樣電阻，此類故障得以修復。此外，電源中與高壓直接相連的電路如PFC、LLC MOS管的尖峰吸收電路，輔助電源取電電路等部分的貼片電阻均不同程度地出現了類似故障。
中國科學院電工研究所、中國科學院大學的研究人員，利用兩種貼片電阻構成三種電壓采樣電路在不同電壓等級下于空氣中及工作介質中持續工作，利用采樣電壓信號觀測及掃描電鏡微觀分析的手段研究了工作介質環境下貼片電阻失效的外部因素及內在機理，分析了可在工作介質環境下穩定工作的貼片電阻的結構特點。
圖2 貼片電阻結構示意圖
圖3 貼片電阻實驗臺架
圖14 實驗用貼片電阻放大圖
工作介質環境下，貼片電阻失效率隨其工作端電壓增加而增加，工作介質環境及較高的端電壓是其失效的外部因素；銀電極與氯離子反應生成低電導率的氯化銀，是導致貼片電阻失效的內在原因。在貼片電阻選型過程中，增加電阻外電極與電阻保護層交疊面積，可避免氯離子對貼片電阻銀電極的腐蝕。
此外，在全浸式液汽相變冷卻開關電源產品工藝設計時，從焊接、電連接到封裝結構多個環節盡量控制含氯元素材料的使用，從而提高貼片電阻在工作介質環境下的工作可靠性。為提高全浸式液汽相變冷卻開關電源運行可靠性提供了理論分析依據及技術支撐。
以上研究成果已發表在2019年第24期《電工技術學報》，論文標題為“全浸式液汽相變冷卻方式貼片電阻失效機理”，作者為溫英科、阮琳。
