一種基于SOI器件的高溫DC/DC電源的設計

劉林 丁瀚

（中國電子科技集團公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

目前我們國家正在進行探月二期、探月三期工程的實施，未來還要建立月球基地，實現載人登月，對月球進行更深入的開發。白天月表高溫可達127℃以上，常規的高可靠混合集成DC/DC 電源的工作溫度范圍只有-55～125℃，無法滿足探月工程未來的需求，考慮到溫度降額，因此需要針對最高工作溫度175℃以上的高可靠DC/DC 電源開展研究，為后續包括探月在內的深空探測工程提供保障。本文中介紹了一種基于SOI 工藝的高溫DC/DC 電源的設計，最高工作溫度可以達到185℃以上。該種電源還可以應用到深井勘探、飛機發動機控制系統和內燃機車控制系統等系統中。

2 電路方案設計

本文所要完成的電路基本要求是：

（1）輸入電壓：28V±3V；

（2）輸出直流電壓：±12V；

（3）輸出功率：12W；

（4）輸出紋波電壓：≤600mV；

（5）效率：≥70%；

（6）工作溫度范圍：-55～185℃。

2.1 高溫電源電路拓撲結構的設計

電路選擇了相對簡單的反激式電路拓撲結構。反激式拓撲結構電路簡單，所需的元器件較少，主要適用于中小功率電源電路。且反激電路作為成熟技術，可以有效地保證電路的可靠性。

電路原理框圖如圖1所示：采用單端反激式結構，由輔助電源、高頻反激變壓器、功率開關管、脈寬調制器（PWM）、整流濾波電路、取樣比較磁隔離反饋電路、電流取樣電路等電路組成。

2.2 高溫元器件研究

限制半導體元器件最高工作溫度的主要因素是高溫泄漏電流。必須優選高溫泄漏電流較小的半導體元器件開展高溫DC/DC 電源的研制工作。

SOI（Silicon on insulator）技術是在頂層硅與襯底硅之間引入了一層埋氧化層，與常規硅基芯片技術相比不存在大面積的阱-襯底pn 結，使泄漏電流顯著減小；由于消除了pnpn 可控硅結構，從而杜絕了熱激發閂鎖效應。采用SOI 材料制作的半導體器件的最高工作溫度可以超過300℃。

本電路中選擇了基于SOI 工藝生產的脈寬調制器CHTMAGAMA、功率MOS 管CHT-NMOS8005 和CHT-SNMOS80 等器件進行了研究工作，最高工作溫度達到了185℃以上。

表1：主要技術指標實測結果

圖1：電路工作原理框圖

圖2：磁隔離反饋電路

2.3 高溫磁隔離反饋電路的設計

反饋技術的設計方案主要有光電隔離反饋及磁隔離反饋，由于采用光電反饋所能選到的光電器件無法耐高溫，在本項目中選擇磁隔離反饋的方案設計。

圖3：組裝封裝工藝流程

反饋電路仍然采用和主控制器一樣的CHT-MAGMA 型脈寬調制器芯片進行設計，電路圖如圖2所示，基本構造仍是一個反激拓撲。

工作原理如下：

當Q1 導通時，反饋變壓器T2 的原邊A 繞組導通，B 繞組開始儲存能量；當Q1 關斷時，繞組中儲存的能量由Q2 釋放。B 繞組用來重置變壓器的磁通，將能量傳回供電。因此，該電路直流損耗非常小。次級繞組將輸出電壓進行電壓變換后傳輸回原邊，再經整流分壓，作為反饋電壓控制脈寬調制器的占空比，從而實現輸出電壓的穩定。

2.4 高溫電源電路的結構設計

電路的結構方案，采用全密封金屬封裝結構，電路的載體選用AL2O3，殼體材料為冷軋鋼，外引線采用銅芯復合材料。

冷軋鋼導熱性能良好，與陶瓷基板有優良的熱匹配性，可避免溫度循環以及長期老化對產品質量的沖擊。封口使用平行縫焊技術在氮氣環境中進行封裝，以保證氣密性。引出腳為扁平引線形式，散熱面在外殼底部，功能引腳由側面引出，有利于電路散熱和電氣連接。

2.5 高溫電源電路的工藝設計

高溫DC/DC 電源采用厚膜混合集成工藝制作。陶瓷成膜基片采用絲網印刷、燒結等厚膜工藝制作；成膜基片采用再流焊接工藝與金屬管殼形成焊接；再將電容、裸芯片、變壓器、電感器等元器件采用焊接和粘接等工藝裝配到基片上及外殼中；最后進行氣密封裝。組裝工藝可承受-65℃～185℃的環境試驗考核。

組裝工藝流程圖如圖3所示。

3 電路達到的性能

采用高溫厚膜混合集成工藝和金屬氣密封裝技術研制的高溫DC/DC 電源樣品實測的主要技術指標如表1所示。可以看出，該電源突破了常規硅器件最高結溫175℃的限制，具有輸出電壓穩定、轉換效率高和工作溫度范圍寬等特點。

4 總結

本文介紹了一種高溫DC/DC 電源的設計，詳述了電路拓撲結構設計、高溫元器件研究、電路結構設計和高溫工藝設計等，該電路具有最高工作溫度高達185℃的優點可以應用于各種對工作溫度要求高的場合。