淺談48V DCDC 轉換器硬件故障解決思路

張發家 束遠濤 陳勃言 劉杰 宮克長

寧波吉利汽車研究開發有限公司創新研究院 浙江省寧波市 315300

1 引言

近幾年隨著國內混合動力技術地快速發展，包含BSG 電機、輕混、增程、插混、純電動形式的新能源車輛日漸增多，新能源車輛低壓供電系統，需要DCDC 轉換器從高壓電轉換而來；但DCDC 作為伴隨新能源車輛的全新部件，相對傳統車型的成熟產品的故障率要高，涉及一些新技術，問題處理起來也較為棘手，本篇通過解讀車輛報的故障碼，梳理解決問題的思路。

2 問題描述

2.1 問題現象

某款裝備BSG 電機弱混配置的SUV 車輛，在車輛試制過程中出現診斷系統報碼硬件故障等問題，經過對故障件進行如下解析：

①外觀檢查及氣密性：結果ok；

②工廠下線EOL 復測：結果not ok；

③進一步檢查發現二極管漏電流fail；

④各端子阻值測量、拆開外蓋測量MOSFET(用于保護電路故障的40V 安全MOSFET)短路、對MOSFET 本體進行量測，阻抗not ok；

⑤更換狀態無問題件的MOSFET后重復測量MOSFET阻抗：ok。得到結論：MOSFET 短路導致DCDC 故障。

2.2 機理分析

場效應晶體管（單極型）是利用電場效應來控制電流的一種半導體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩定性好[1]；

MOSFET 失效原因如下：

①雪崩失效(電壓失效)，也就是我們常說的漏源間的Vdss電壓超過MOSFET 的額定電壓，并且超過到達了一定的極限才能導致MOSFET 失效。例如滿載工作時發生異常，觸發保護模式safety switch 切斷功率回路，這時電池電壓、電容電壓及線路中寄生電感在關斷時感應出來的電壓疊加后有可能超過額定電壓。低溫時更為惡劣，比如40V 的MOSFET 低溫時額定電壓會下降10%。

②SOA失效(電流失效)，既超出MOSFET 安全工作區引起的失效，分為Id超出器件規格失效以及Id過大，損耗過高器件長時間熱積累而導致的失效。MOSFET工作時流過的電流不能大于額定工作電流或者流過體二極管的電流不能超過額定工作電流。比如長時間工作在過流模式下或者有大的瞬時inrush 電流流過時。

③體二極管失效：在橋式、LLC 等有用到體二極管進行續流的拓撲構造中，由于體二極管遭受破壞而導致的失效。

④諧振失效：在并聯運用的過程中，柵極及電路寄生參數導致震蕩引起的失效。

⑤靜電失效：在秋冬時節，由于人體及設備靜電而導致的器件失效。

⑥柵極電壓失效：由于柵極遭受異常電壓尖峰，而導致柵極柵氧層失效[2]。

⑦熱跑脫：MOSFET 工作在線性區時電流增加和溫度升高形成正反饋導致管子溫度迅速升高最終超過節溫而損壞。

⑧過功率：MOSFET 工作時消耗在MOSFET 上的功耗超過額定功率而導致產生的溫升超過最大節溫：Tj＞Tjmax。比如驅動電阻異常時開通或者關斷的速度變慢，開關過程中的損耗增大。

3 問題排查

通過如下幾個維度對故障進行全面分析：

①元器件系統選型方案合理性：通過MOS 器件Vds端電壓、Id電流、功率發熱損耗計算溫升對表面Tcase、Tjmax等選型均有余量，綜合來看選型無問題；

②電路保護設計合理性排查：通過電磁兼容試驗報告排查輻射傳導、靜電ESD 結果均是通過；其次確認12V 電池側壓波形時是否發會造成MOSFET 元器件過壓（充放電線束過長），通過復測拋負載驗證結果均通過（如下圖1）；

圖1 臺架試驗結果

③實車模擬測試：車輛正常進行點火、加用電器負載、多種道路路試、模擬蓄電池負極斷開等操作，MOSFET 管波形平穩，未發現異常波形（如下圖2）；

圖2 實車試驗數據

圖3 過欠壓采集數據

④臺架模式測試：

3.1 散熱膠對產品影響：首先進行EOL 測試記錄結果，去掉PCBA 背面的散熱膠，重新連接設備，測試5min，樣件EOL無故障，結論：散熱膠對MOS 過熱燒毀影響較小。

3.2 過壓欠壓對產品的影響：

排查步驟：1.在實驗室模擬實驗，通過分別調節12V 輸出端、48V 輸入端電壓值，確認是否會觸發9496 故障；

2.觸發9496 故障后再將電壓調節回正常范圍，確認9496 故障能否自恢復，DCDC 是否可以正常工作；

排查結果：1.當輸入端、輸出端電壓過大或過低時，可以觸發0A9496 故障；

2.觸發0A9496 故障之后再調整電壓回到正常范圍內，0A9496 故障會自動恢復，反復測試多次，DCDC 均可正常工作；說明DCDC 產品在短時過欠壓有自修復功能，且不會燒蝕MOSFET。

⑤工藝規范性檢查：主要從EOL 測試時48V/12V/GND 是否存在接反情況、EOL 測試程序異常、產線老化測試檢測波形異常等方面，排查發現滿負載工況下退出buck 模式時，MOSFET 兩端電壓、電流有一定的波形抖動（如下圖4、圖5），但依然在MOSFET正常承受范圍內，后續可對EOL 流程進行優化，退出Buck 模式時，先漸進式降負載，然后再退出Buck 模式。

圖4 EOL 采樣數據

圖5 老化采樣數據

⑥質量排查：不同廠家的MOSFET 零部件混裝排查、工廠ESD 防護的標準控制程序排查、SMT 產線符合量產工藝要求，MOSFET 來料質量等方面排查。

⑦故障件返廠檢測：因樣件燒蝕嚴重（如下圖6 所示），反饋結果為EOS（Electrical Over Stress），可能是在burn in 中誤操作引起EOS，導致MOSFET 損壞。

圖6 故障件燒蝕點

⑨最終找到根本原因為工廠下線EOL 測試程序未按照軟件設計要求執行，在DCDC預充執行過程中，Soft start 信號和Fast on信號被同時拉高，此時UHV 有明顯電壓波動（如圖7 所示），瞬時電壓47V（實際MOSFET 只 能 承 受40V），導 致MOSFET被擊穿損壞。

圖7 異常電壓抓取

4 優化方案

按照需求定義，當接到預充命令時，先將Softstart 信號拉高執行軟起動，目的是為了Safety Mos 閉合過程中線性工作區起限流用，然后再拉高 Fast on 信號；避免瞬時大電壓。優化后產品波形如圖8 所示。

圖8 線性拉升的電壓

5 總結

綜上DCDC 硬件故障問題方案解決方案如下：

（1）產品硬件電路設計上，合理的電路元器件選型，并在電路設計中增加防浪涌結構，如增加TVS 管或熱敏電阻等方案，滿足瞬態傳導抗擾度等方面的電性能相關要求；合理的熱設計余量及水路設計，確保元器件產生的熱量及時散掉。

（2）軟件控制邏輯上，采用兩級預充功能，當接到預充命令時，需先將Softs tart 信號拉高執行軟起動，目的是為了Safety MOS閉合過程中線性工作區起限流作用，然后再拉高Fast on 信號；

（3）產線控制，符合設計要求的工藝規范，ESD 防護、EOL 下線及產線老化檢測程序優化，防止突變波形對產品造車損傷，例如退出Buck 模式時，先漸進式降低負載，然后再退出Buck 模式等。