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温 升 试 验 研 究 摘 要 : 本 文 介 绍 了 电 器 产 品 温 升 试 验 的 目 的 方 法 及 相 关 热 评 估 标 准, 并 对 温 度 降 额 设 计 进 行 了 相 关 阐 述 关 键 词 : 温 升 试 验 热 评 估 Abstract:This article introduces the objective methods and correlative thermal evaluations of E/E products. The temperature derating guideline of E/E products was expatiated in this paper also. Key words:temperature Rising Measure Thermal Evaluations 1 简 介 温 升 是 产 品 安 全 性 能 的 重 要 指 标 之 一 在 安 全 试 验 中, 温 升 测 量 是 不 可 或 缺 的 一 环 一 般 而 言, 温 升 值 不 受 环 境 温 度 的 影 响 实 验 证 明, 对 于 某 一 具 体 产 品 来 说, 其 温 升 是 固 定 的, 不 会 随 产 品 使 用 的 环 境 温 度 变 化 而 变 化 产 品 温 升 的 固 定 性 在 安 全 试 验 中 具 有 重 要 的 意 义 在 GB4943-1995 标 准 中, 对 某 些 试 验 规 定 了 最 高 温 度 (T max ) 或 最 大 温 升 ( T max ) 限 值 作 为 合 格 的 标 准, 这 些 标 准 是 基 于 产 品 工 作 时, 环 境 温 度 为 25 的 假 设 而 作 出 的, 但 是, 如 果 制 造 厂 规 定 了 较 高 的 工 作 环 境 温 度 (T mra ), 则 合 格 标 准 也 应 作 出 如 下 调 整 : 实 际 温 升 : T=(T T amb ) (T max T mra ); 或 T=(T T amb ) ( T max +25 T mra ) 式 中 T amb 为 试 验 期 间 的 环 境 温 度,T 为 实 际 产 品 测 试 温 度 例 如, 在 上 述 标 准 的 5.1 中 规 定, 可 触 及 的 产 品 外 表 面 最 高 温 升 为 70K, 它 是 基 于 环 境 温 度 为 25 的 假 设 而 作 出 的 如 果 制 造 厂 规 定 其 产 品 的 使 用 环 境 温 度 可 达 40, 那 么, 可 触 及 的 产 品 外 表 面 的 最 高 温 升 应 作 出 如 下 调 整 : T max ( 新 )= T max +25 T mra =70+25 40=55K 因 此, 此 时 温 升 的 判 定 标 准 是 55K, 实 际 温 升 T 应 不 超 过 55K 而 不 是 70K 其 它 部 位 的 温 升 判 定 标 准 可 依 此 类 推, 作 出 相 应 的 调 整 2 产 品 评 估 目 标 下 表 1 所 示 列 出 车 载 电 气 和 电 子 产 品 温 升 试 验 评 估 目 标 在 温 升 试 验 评 估 之 前 产 品 工 程 师 或 团 队 应 该 确 认 试 验 条 件 和 产 品 的 设 计 特 征, 确 认 的 对 象 包 括 其 部 件 和 材 料 然 后 依 次 对 每 一 个 特 征 进 行 评 估 1

表 1 不 同 产 品 温 升 试 验 评 估 目 标 序 号 适 用 范 围 评 估 的 目 标 1 自 行 发 热 的 产 品 被 周 围 发 热 体 影 响 的 产 品 2 与 使 用 者 直 接 或 间 接 接 触 的 产 品 鉴 定 热 效 应 的 评 估 : 确 定 车 用 电 器 及 电 子 产 品 在 车 辆 中 的 稳 定 状 态 和 最 高 的 温 度 评 估 所 有 的 热 源 ( 环 境 来 自 其 他 部 件 自 行 发 热 ) 伴 随 着 运 行 中 的 负 载 条 件, 这 些 都 会 对 热 产 生 影 响 注 意 事 项 : 仅 在 以 下 情 况 下 需 要 对 自 行 发 热 进 行 评 价 : 1) 提 高 产 品 内 部 温 度 在 最 高 室 温 之 上, 且 10 2) 在 半 导 体 内 结 点 温 度 接 近 他 们 最 大 额 定 的 温 度 ( 例 如 :125 对 于 额 定 值 是 150 ) 3) 材 料 的 温 度 接 近 最 大 额 定 温 度 (10% 以 内 ) 局 限 性 : 不 评 估 车 辆 的 日 光 热 量 的 太 阳 温 度 ( 车 辆 日 光 热 量 应 被 包 含 在 车 辆 内 部 温 度 规 范 中 ), 产 品 的 日 光 热 量 应 独 立 分 析, 并 记 录 在 产 品 的 评 估 规 范 中 产 品 使 用 接 触 面 评 估 : 在 极 端 温 度 下, 需 评 估 与 使 用 者 接 触 时 人 为 因 素 的 影 响 包 含 : 控 制 开 关 把 手 获 得 数 据 来 自 看 得 见 或 听 得 见 的 产 品, 需 确 保 接 触 的 表 面 摸 起 来 不 会 很 热 使 用 者 接 触 温 度 代 替 了 环 境 或 者 储 存 温 度 除 非 其 他 的 特 殊 的 用 处, 在 室 温 下, 温 升 >50 (122 F) 会 让 人 感 觉 接 触 起 来 不 是 很 舒 服, 温 升 >65 (149 F) 为 一 个 可 能 会 烧 毁 皮 肤 温 度 GB4943-1995 标 准 规 定 可 触 及 的 产 品 外 表 面 最 高 温 升 为 70 3 所 有 产 品 电 气 功 能 性 能 评 估 : 在 极 限 温 度 时 评 估 关 键 电 路 性 能 ( 应 用 软 件 处 于 工 作 模 式 ) 电 路 的 热 分 析 或 模 拟 的 结 果 在 相 同 情 况 下 进 行 室 温 性 能 评 估 包 括 视 觉 听 觉 相 关 的 机 械 或 电 子 机 械 性 能, 例 如 开 关, 继 电 器, 电 机 等 例 : 一 个 电 子 产 品 设 计 为 5 瓦 功 率 在 鉴 定 热 效 应 的 评 估 中 发 现, 由 于 热 量 传 递 使 得 该 产 品 内 部 达 到 了 最 高 环 境 温 度 +30 对 于 在 85 下 运 行 的 产 品, 为 了 得 到 一 个 真 实 的 数 据, 应 该 在 115 下 评 估 其 电 气 性 能 功 能 及 耐 久 性 4 所 有 产 品 注 意 : 产 品 在 极 端 环 境 下 的 正 常 工 作 不 代 表 产 品 可 以 在 温 度 区 间 之 内 或 温 度 转 变 之 时 正 常 工 作 故 试 验 需 结 合 动 态 温 度 进 行 热 评 估 注 意 : 硬 件 的 电 气 性 能 评 估 可 以 独 立 于 软 件 可 靠 性 评 估 : 最 严 酷 情 况 下 热 压 力 试 验, 评 估 潜 在 的 瞬 间 的 温 度 过 热 情 形 检 测 产 品 在 一 定 时 间 期 限 内 最 严 酷 情 形 下 的 正 常 操 作, 其 内 部 温 度 不 应 超 过 部 件 或 材 料 的 失 效 或 衰 弱 温 度 值 ( 例 : 超 过 了 电 器 内 部 零 件 的 工 作 温 度, 超 过 Tg 或 熔 点 ) 对 于 自 行 发 热 或 者 受 周 围 热 量 影 响 的 产 品, 测 试 在 最 恶 劣 的 条 件 下 的 峰 值 温 度 2

5 所 有 产 品 耐 久 性 评 估 : 长 时 热 耐 久 试 验, 产 品 或 材 料 的 使 用 温 度 超 过 了 设 计 值, 会 加 剧 材 料 性 能 下 降 从 而 导 致 加 速 衰 老 这 些 会 引 起 产 品 早 期 的 机 械 磨 损, 大 的 冷 热 温 度 差 异 也 会 引 起 产 品 热 膨 胀 或 收 缩 的 疲 劳 热 应 力 数 据 可 以 被 用 到 单 独 的 耐 久 分 析 或 测 试 中 6 模 拟 的 需 要 分 析 / 模 拟 相 互 关 系 : 论 证 CAE 模 拟 与 实 际 情 况 的 相 关 性, 进 行 人 工 热 性 能 计 算, 或 者 对 于 通 过 热 特 征 计 算 热 性 能 3 试 验 方 法 3.1 测 试 部 位 下 面 的 热 测 试 点 或 区 域 是 被 推 荐 采 集 的 1) 箱 内 空 气 温 度 2) 产 品 内 部 空 气 温 度 ( 采 集 最 好 是 靠 近 产 品 中 心 位 置 微 处 理 器 信 号 电 路 ) 3) IC 器 件 表 面 温 度 Tc: 任 何 微 处 理 器 大 型 集 成 电 路 高 能 量 集 成 电 路 4) 功 率 器 件 表 面 温 度 Tc: 功 率 器 件 功 率 驱 动 IC 5) 电 路 板 的 预 期 最 低 区 域 温 度 6) 其 他 能 产 生 有 用 信 息 的 内 部 组 件 的 温 度 ( 例 : 新 IC, 动 力 二 极 管 平 稳 电 阻 传 感 器 电 机 或 励 磁 线 圈 ) 7) 控 制 器 表 面 温 度 ( 能 够 被 乘 客 触 及 到 的 把 手 按 钮 开 关 或 者 暴 露 的 表 面 ) 需 保 证 自 热 不 可 以 超 过 规 定 的 接 触 温 度 产 品 实 际 采 集 案 例 见 图 1 图 1 典 型 的 红 外 和 热 电 偶 采 集 示 意 图 3

3.2 负 载 情 况 除 非 另 外 说 明, 一 般 从 表 2 中 选 择 相 关 的 负 载 条 件, 以 保 证 测 试 模 拟 的 准 确 性 为 了 让 产 品 承 担 更 多 能 量, 获 取 及 确 认 其 热 性 能 越 来 越 重 要 选 择 适 当 的 负 荷 状 态 对 准 确 评 估 至 关 重 要 电 子 产 品 需 评 估 以 下 热 性 能 : 1) 产 品 的 瞬 间 加 载 2) 产 品 中 消 散 的 能 量 3) 产 品 的 热 传 递 效 率 这 些 因 素 影 响 自 加 热 产 品, 最 终 影 响 到 产 品 的 电 气 性 能 参 数 及 可 靠 性 这 些 因 素 的 控 制 由 设 计 部 门 保 证 热 评 估 是 对 设 计 的 验 证 和 改 进 表 2 电 气 负 载 条 件 序 号 负 载 类 型 负 载 描 述 / 评 估 细 则 1 持 续 工 作, 稳 定 状 态 的 负 载 给 产 品 连 续 通 5 分 钟 以 上 重 负 荷, 对 自 热 意 义 重 大 产 品 带 载 时 的 电 气 性 能 及 温 度 效 率 是 关 键 产 品 用 在 不 同 车 型 上 会 有 不 同 的 负 载 类 型, 在 同 一 车 型 上 也 会 有 多 种 负 载 的 组 合 单 电 路 的 热 评 估 应 在 最 严 酷 的 情 形 下 进 行, 多 负 载 工 作 见 3, 如 果 产 品 在 最 严 酷 情 况 下 温 度 超 标, 则 需 要 考 虑 设 计 一 个 更 有 效 的 电 路 或 者 提 高 产 品 的 热 传 递 特 性 2 由 电 磁 继 电 器 和 开 关 控 制 的 负 载 电 磁 开 关 或 继 电 器 控 制 的 负 载 比 直 接 由 功 率 晶 体 管 FET 控 制 负 载 方 式 产 生 更 少 的 热 因 此, 这 些 产 品 的 负 载 条 件 通 常 是 高 于 通 过 功 率 晶 体 管 直 接 控 制 的 负 载 不 过, 需 要 激 活 继 电 器 的 线 圈 端 ( 无 论 是 内 部 还 是 外 部 的 ) 3 同 时 工 作 的 负 载 自 行 发 热 产 品 的 准 确 热 评 估 需 同 时 加 适 合 的 负 载 通 过 控 制 器 同 时 加 载 不 同 的 负 载 可 以 增 加 总 消 耗 能 量, 尤 其 当 功 率 驱 动 器 电 路 组 件 集 中 在 一 个 小 区 域 时 这 比 给 功 率 驱 动 的 通 以 设 计 负 载, 产 生 更 高 的 温 度 最 简 单 的 评 估 是 在 最 高 温 度 下, 最 大 电 压 下 给 产 品 各 持 续 负 载 同 时 加 载 对 于 大 多 数 产 品, 尤 其 是 在 发 动 机 罩 下 的 重 负 荷 产 品 这 种 方 法 是 最 基 本 的 但 是 对 于 轻 负 荷 产 品, 这 些 是 不 够 的 对 于 轻 负 荷 产 品, 同 时 加 载 测 试 的 结 果, 与 产 品 可 靠 性 及 寿 命 测 试 无 很 大 相 关 性 给 产 品 加 以 最 大 负 荷 而 非 实 际 的 负 载, 会 增 加 产 品 不 必 要 的 成 本, 品 质 过 剩 如 果 不 可 能 预 估 实 际 的 负 载 状 态, 以 下 将 提 供 4 个 测 试 模 型 ( 针 对 于 并 行 的 持 续 负 载 类 型 ) 测 试 时 从 下 列 中 选 择, 同 时 加 载 是 最 适 合 的 方 式 如 果 最 严 酷 的 情 形, 不 是 最 大 负 荷 重 负 荷 或 中 负 荷 模 式, 则 由 产 品 设 计 团 队 自 行 设 计 加 载 3 A 最 大 负 荷 模 式 : 所 有 连 续 负 载 同 时 工 作 4

3 B 重 负 荷 模 式 : 取 所 有 连 续 负 载 85% 值, 同 时 工 作 3 C 中 负 荷 模 式 : 取 所 有 连 续 负 载 70% 值, 同 时 工 作 3 D 自 定 义 模 式 : 根 据 使 用 情 况, 由 产 品 设 计 团 队 定 义 4 连 续 的 动 态 负 载 和 循 环 产 品 工 作 时 负 载 是 动 态 的 ; 例 如 尾 灯 和 脉 宽 调 节 (PWM) 的 三 极 管 对 于 此 类 产 品 推 荐 施 加 最 大 等 效 能 量 的 持 续 负 载 负 载 5 电 机 负 载 电 机 的 电 流 随 着 机 械 负 荷 的 增 加 而 增 加 ( 例 如 刮 水 器 电 机 在 刮 片 推 动 着 大 量 的 雪 或 在 干 燥 玻 璃 表 面 启 动 时 会 消 耗 更 多 的 电 流 ) 因 此, 测 试 电 机 或 其 电 路 板 的 电 气 性 能 及 热 效 应 时 采 用 空 载 是 不 真 实 的 不 恰 当 的 电 机 电 路 的 热 评 估 需 给 电 机 满 负 荷 工 作 或 模 拟 最 大 负 荷 在 正 常 电 压 下 给 电 机 通 以 两 倍 的 额 定 负 载, 是 一 个 用 来 考 核 电 机 耐 久 的 测 试 6 短 时 间 的 瞬 间 负 载 7 随 温 度 变 化 的 负 载 另 一 个 高 电 流 的 情 况 是 电 机 突 然 抛 载 失 速 这 会 对 电 机 和 控 制 器 产 生 非 常 高 的 热 效 应 对 于 失 速 情 况 下 的 热 评 估 推 荐 方 法 是 在 正 规 的 电 压 下 电 机 运 行 15min, 然 后 失 速 此 类 情 况 是 在 电 机 带 有 中 度 或 重 度 负 载 时 出 现 除 非 有 特 殊 要 求 每 次 测 试 仅 针 对 一 路 电 机 负 载 进 行 抛 载 失 速 测 试 持 续 时 间 短, 非 周 期 性 负 载 : 例 如 门 锁 窗 锁, 持 续 时 间 小 于 30s, 基 本 没 有 什 么 热 效 应 因 此, 对 于 此 类 产 品 评 估 热 效 应 价 值 不 大 一 些 负 载, 特 别 是 阻 性 负 载, 随 着 温 度 变 化 而 变 化 ( 例 如 : 继 电 器 在 冷 态 时 工 作 电 流 为 200mA, 由 固 态 电 源 提 供 给 继 电 器 ) 然 而, 当 继 电 器 热 态 时 仅 为 150mA, 为 冷 态 电 流 的 75% 假 设 14.5V 的 供 电 电 压, 产 品 的 电 压 降 为 2.0V( 其 中 12.5V 提 供 给 继 电 器 ) 因 此, 在 热 评 估 中,150 ma 通 过 这 个 产 品, 产 生 了 0.3W 的 热 量 如 果 这 个 产 品 的 热 评 估 是 不 正 确 的 ( 使 用 200 ma 进 行 评 估 ), 就 会 计 算 出 0.4W 的 热 量 ( 会 多 计 算 1/3 的 热 量 ) 此 类 过 测 试 参 数, 会 随 着 输 出 的 增 多 而 增 多 ( 如 果 一 个 产 品 有 10 路 以 上 规 格 继 电 器, 能 量 计 算 将 是 4.0W 替 代 3.0W ) 这 会 导 致 一 个 重 要 的 但 又 无 意 义 温 升, 这 会 导 致 不 必 要 的 设 计 更 改 及 花 费 如 果 电 压 降 和 电 流 随 着 温 度 升 高 而 增 大, 产 品 的 测 试 不 足 现 象 也 会 发 生 与 产 品 一 样, 负 载 可 能 在 车 辆 的 不 同 的 部 位 不 能 保 证 控 制 器 和 负 载 一 直 在 同 样 的 环 境 温 度 下 因 此, 一 个 适 当 的 热 评 估 应 根 据 负 载 所 处 部 位 的 温 度 范 围 选 择 相 应 的 电 气 参 数 5

3.3 试 验 程 序 电 子 产 品 的 热 评 估, 主 要 有 4 类 试 验 类 型 : 低 温 热 评 估 高 温 热 评 估 室 温 热 评 估 最 严 酷 工 况 热 评 估, 低 温 热 评 估 也 即 为 我 们 目 前 开 展 的 低 温 工 作 试 验, 高 温 热 评 估 为 高 温 工 作 试 验, 室 温 热 评 估 也 即 我 们 一 般 意 义 上 的 温 升 试 验, 最 严 酷 工 况 热 评 估, 此 项 试 验 我 们 暂 未 开 展, 下 面 主 要 给 大 家 介 绍 室 温 热 评 估 和 最 严 酷 工 况 热 评 估 方 法 3.3.1 室 温 热 评 估 目 的 : 此 试 验 是 为 了 计 算 在 室 温 中 最 严 酷 情 形 下 产 品 的 自 热 性 能, 以 确 保 产 品 性 能 及 提 供 热 模 型 相 关 数 据 程 序 : 见 表 3 表 3 产 品 室 温 评 估 程 序 步 骤 室 温 热 评 估 程 序 1 试 验 前, 将 样 品 及 其 包 装 在 室 温 中 保 温 30min 以 上 2 在 产 品 工 作 之 前, 记 录 产 品 的 温 度 信 息, 车 内 产 品 需 要 在 室 温 中 存 储 2h 以 上, 发 动 机 罩 等 部 位 需 存 储 4h 以 上 3 使 产 品 在 最 大 负 荷 或 重 负 荷 下 工 作 在 产 品 正 常 工 作 后, 以 1 次 /min 记 录 产 品 的 温 度 直 至 产 品 温 升 稳 定 ( 温 度 变 化 0.2 /min) 记 录 产 品 的 输 入 输 出 等 信 息, 通 过 电 压 电 流 计 算 产 品 的 热 损 耗, 记 录 最 终 的 热 平 衡 温 度 及 时 间 4 如 果 产 品 有 可 能 被 车 辆 使 用 者 触 摸 到 的 表 面 ( 例 如 开 关, 把 手 或 按 钮 ) 确 保 这 些 表 面 的 温 升 不 会 超 过 50 ( 如 果 没 有 其 他 特 殊 要 求 ) 包 括 但 不 限 于 后 灯 或 其 他 内 部 光 源 的 影 响 3.3.2 最 严 酷 工 况 热 评 估 目 的 : 试 验 是 为 了 验 证 产 品 在 最 高 工 作 温 度 下, 间 歇 性 满 负 荷 工 作 的 性 能 模 拟 在 高 温 天 气 远 程 遥 控 启 动 车 辆 模 拟 在 高 温 天 气 热 重 启 车 辆 程 序 : 见 表 4 表 4 产 品 最 严 酷 工 况 热 评 估 程 序 步 骤 最 严 酷 工 况 热 评 估 程 序 1 将 产 品 按 照 实 车 安 装 状 态, 存 储 在 规 定 的 温 度 中 ( 内 部 产 品 一 般 85, 发 动 机 舱 部 位 产 品 一 般 105 125, 具 体 见 产 品 规 定 ) 2 在 产 品 工 作 之 前, 将 产 品 温 度 稳 定 至 设 定 值 3 给 产 品 通 16.0V, 最 大 负 荷 工 作, 记 录 产 品 的 各 项 电 气 性 能 指 标, 以 4 次 /min 记 录 各 部 位 温 度 一 般 情 况 下 产 品 工 作 至 少 超 过 30min, 或 者 连 续 远 程 遥 控 3 个 最 大 循 环 以 上 注 意 此 试 验 不 适 合 用 于 评 估 产 品 的 长 期 的 耐 久 或 疲 劳 3.4 产 品 验 收 的 标 准 及 相 关 指 南 表 5 为 电 子 产 品 的 电 气 功 能 性 能 热 评 估 标 准 对 于 不 能 满 足 评 估 标 准 的 产 品, 需 要 开 展 以 下 工 作 : 1) 降 低 产 品 的 工 作 环 境 温 度 例 如 : 换 一 个 安 装 位 置 使 用 冷 却 使 用 热 屏 蔽 等 措 施 2) 降 低 产 品 的 自 发 热 例 如 : 使 用 高 效 电 路 降 低 能 耗 设 计 更 好 的 冷 却 系 统 3) 提 升 产 品 的 热 性 能 例 如 : 选 择 耐 高 温 器 件 或 材 料 加 入 抗 高 温 材 料 4) 当 使 用 温 度 接 近 或 超 过 材 料 限 制 的 温 度, 引 起 材 料 的 耐 久 性 下 降, 加 速 材 料 的 性 能 老 化 前 面 三 类 措 施 都 不 能 起 作 用 需 要 通 过 更 多 的 验 证 来 改 进 产 品, 例 如 : 使 用 CAE 模 拟 加 速 老 化 试 验 等 6

表 5 电 子 产 品 的 电 气 功 能 性 能 热 评 估 标 准 标 准 电 气 功 能 性 能 热 评 估 标 准 1 产 品 应 该 在 设 计 的 工 作 温 度 范 围 内 正 常 工 作 在 完 成 这 些 评 估 的 同 时, 内 部 自 行 发 热 的 影 响 也 是 包 含 在 内 的 因 此, 产 品 需 在 设 计 的 负 载 下 进 行 评 估, 即 便 其 内 部 温 度 超 过 了 设 计 的 工 作 温 度 外 表 面 的 温 度 不 能 过 高 ; 外 表 面 温 度 过 高 当 外 表 面 温 度 过 高 时 会 对 使 用 者 造 成 烫 伤, 同 时 外 布 线 的 电 线 电 缆 等 碰 到 外 表 面 时, 绝 缘 材 料 被 损 坏, 形 成 触 电 隐 患 2 防 止 长 期 耐 久 / 可 靠 性 要 求 的 组 件 或 材 料 不 可 以 频 繁 达 到 或 超 过 材 料 温 度 极 限, 材 料 有 相 应 的 最 高 允 许 工 作 温 度, 通 常 为 绝 缘 的 耐 热 温 度 在 此 温 度 下 长 期 工 作 时, 绝 缘 材 料 的 电 性 能 机 械 性 能 和 化 学 性 能 不 发 生 显 著 的 变 坏, 如 果 超 过 此 温 度, 则 绝 缘 材 料 性 能 迅 速 变 坏 或 引 起 快 速 老 化, 大 大 缩 短 绝 缘 材 料 的 使 用 寿 命, 严 重 时 甚 至 引 起 绝 缘 材 料 着 火 烧 毁 供 应 方 决 定 产 品 的 材 料 温 度 极 限 产 品 在 85% 的 极 限 温 度 下 工 作 时, 其 寿 命 及 可 靠 性 将 降 低 15% 大 的 温 度 变 化 能 加 速 产 品 的 疲 劳 对 于 汽 车 电 子 / 电 器 产 品, 关 键 的 极 限 温 度 为 : 2a 超 过 固 态 组 件 的 最 大 结 点 温 度, 会 引 起 操 作 异 常, 会 破 坏 产 品 的 操 作, 或 永 久 的 削 弱 或 组 件 性 能 2b 超 过 了 电 解 电 容 的 最 大 存 储 或 操 作 温 度 热 膨 胀 导 致 电 容 内 部 的 绝 缘 物 质 爆 开 并 且 泄 露, 引 起 电 容 失 效 或 电 路 短 路 断 路 2c 超 过 焊 料 熔 点 温 度 的 85%, 会 大 幅 度 的 降 低 焊 接 的 屈 服 和 疲 劳 强 度 这 些 因 素 增 加 了 产 品 开 路 的 可 能 性 2d 超 过 了 塑 料 环 氧 聚 合 物 的 软 化 温 度, 这 将 永 久 性 降 低 材 料 的 强 度 当 然, 聚 合 物 的 软 化 温 度 可 以 通 过 增 加 相 关 材 料 进 行 提 升 注 意 理 论 上 的 最 严 酷 情 况 需 在 报 告 中 体 现 在 高 温 度 压 力 试 验 中, 需 考 虑 产 品 在 实 际 工 作 情 况 下 的 频 率 和 时 间 4 温 度 降 额 设 计 产 品 热 评 估 的 目 的, 是 为 了 保 证 产 品 满 足 在 正 常 情 况 下 的 使 用 性 能, 也 即 验 证 产 品 的 温 度 降 额 设 计, 下 面 简 单 介 绍 一 下 电 子 器 件 的 温 度 降 额 设 计 4.1 降 额 设 计 的 定 义 以 电 源 整 流 器 举 例 说 明, 结 点 温 度 规 定 值 =175 图 中 四 个 区 域 的 定 义 如 下 : 可 接 受 的 : 该 组 件 在 可 接 受 的 热 力 学 和 应 力 范 围 内 操 作 对 组 分 在 这 些 条 件 下 用 途 认 为 是 低 风 险 的 有 疑 问 的 : 应 进 一 步 分 析 以 确 定 是 否 需 要 在 测 得 的 温 度 下 运 行 组 件 在 这 些 区 域 条 件 下 组 件 的 使 用 风 险 值, 取 决 于 组 件 上 的 实 际 应 力 条 件 不 可 接 受 的 : 该 组 件 不 应 在 此 温 度 或 压 力 水 平 下 工 作 在 此 情 况 下 该 组 件 为 高 风 险 改 进 的 : 元 器 件 工 作 温 度 稍 高 于 理 想 热 极 限 温 度 在 此 范 围 的 压 力 下 的 产 品 使 用 需 要 进 7

行 必 要 的 改 进, 在 此 工 作 范 围 中 使 用 组 件 通 常 被 认 为 是 低 风 险 的 通 常 在 有 疑 问 的 区 域 中 划 分 一 个 次 级 区 域 改 进 的 区 域 此 区 域 工 作 温 度 可 能 有 影 响, 但 压 力 在 可 接 受 的 范 围 内 未 有 特 殊 申 明, 以 下 所 有 温 度 测 量 结 果 都 在 25 下 进 行 图 2 电 源 整 流 器 降 额 设 计 图 Power Rectifier: Temperature Rating = 175C(175 结 点 温 度 的 电 源 整 流 器 ) Forward Current Stress ( 正 向 电 流 值 ) Case Temperature ( 表 面 温 度 ) 4.2 二 极 管 三 极 管 降 额 设 计 下 表 为 二 极 管 三 极 管 的 降 额 温 度 设 计 表, 图 3 为 半 导 体 的 温 度 降 额 图 表 6 二 极 管 三 极 管 的 降 额 温 度 设 计 表 组 分 分 类 可 接 受 的 区 域 有 疑 问 的 区 域 不 可 接 受 的 区 域 FET < (Tj 50) (Tj 50) to (Tj 10) > (Tj 10) 图 3 半 导 体 温 度 降 额 设 计 图 Semiconductor Devices ( 半 导 体 器 件 ) 所 有 产 品, 结 点 温 度 Tj =125 ( 此 处 的 Tj 为 器 件 的 理 论 Tjmax) 所 有 产 品, 结 点 温 度 Tj =150 所 有 产 品, 结 点 温 度 Tj =175 所 有 产 品, 结 点 温 度 Tj =200 Calculated Junction Temperature ( 结 点 温 度 推 荐, 此 处 的 Tj 为 产 品 工 作 时 推 荐 值 ) 半 导 体 器 件 的 关 键 参 数 是 结 点 温 度, 其 计 算 公 式 为 :Tj = Tc + P Rth(jc) 图 4 为 某 车 型 控 制 器 的 短 路 保 护 控 制 设 计 实 例 具 体 详 见 短 路 试 验 研 究 部 分 其 中 : Tc: 表 面 温 度 8

Tj: 结 点 温 度 Rth(jc): 结 点 至 表 面 的 热 阻, 可 从 元 器 件 Date sheet 中 查 得 1) 计 算 MOSFET 短 路 时 允 许 的 瞬 态 温 升, 因 为 控 制 器 有 可 能 是 在 正 常 工 作 时 突 然 短 路, 所 以 我 们 的 设 计 应 是 基 于 正 常 工 作 时 的 温 度 来 计 算 允 许 的 瞬 态 温 升 MOSFET 的 正 常 工 作 时 结 点 温 度 可 由 下 式 计 算 :Tj = Tc + P Rth(jc) 举 例 说 明, 假 设 控 制 器 输 出 功 率 为 350W 时, 并 且 采 用 同 步 整 流 技 术, 续 流 侧 MOSFET 的 耗 散 功 率 为 20W 左 右, 即 P=20W 同 时 我 们 假 设 MOSFET 工 作 时 的 表 面 温 度 Tc 为 100 ( 炎 热 的 夏 季, 汽 车 控 制 器 中 MOSFET 的 表 面 温 度 一 般 都 会 达 到 此 值 ), 则 :Tj = Tc+P Rth(jc) = 100+20 0.45 = 109 理 论 上 MOSFET 的 结 点 温 度 不 能 超 过 175, 所 以 电 机 相 线 短 路 时 MOSFET 允 许 的 温 升 为 :Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66 图 4 产 品 短 路 模 型 2) 根 据 瞬 态 温 升 和 单 脉 冲 功 率 计 算 允 许 的 单 脉 冲 时 的 热 阻, 由 图 5 可 知, 短 路 时 MOSFET 耗 散 的 功 率 约 为 :P = Vds I = 25 400 = 10,000W ; 脉 冲 的 功 率 也 可 以 通 过 将 图 5 测 得 波 形 存 为 EXCEL 格 式 的 数 据, 然 后 通 过 EXCEL 进 行 积 分, 从 而 得 到 比 较 精 确 的 脉 冲 功 率 数 据 对 于 MOSFET 温 升 计 算 有 如 下 公 式 : Trising = P Zθjc Rθjc 其 中 :Rθjc: 结 点 至 表 面 的 热 阻, 可 从 元 器 件 Date sheet 中 查 得 Zθjc: 热 阻 系 数 由 上 式 变 形 可 得 : Zθjc = Trising (P Rθjc) 代 入 数 据 得 :Zθjc = 66 (10,000 0.45)= 0.015 9

图 5 短 路 试 验 信 号 采 集 3) 根 据 单 脉 冲 的 热 阻 系 数 确 定 允 许 的 短 路 时 间 由 图 6 最 下 面 一 条 曲 线 ( 单 脉 冲 ) 可 知, 对 于 单 脉 冲 来 说, 要 想 获 得 0.015 的 热 阻 系 数, 其 脉 冲 宽 度 不 能 大 于 20μs 故 此 产 品 保 护 控 制 需 要 在 20μs 之 内 将 MOSFET 断 开, 以 免 烧 坏 图 6 短 路 热 阻 系 数 图 以 上 可 知, 该 控 制 器 的 MOSFET 热 降 额 设 计 参 数 为 ( 选 择 Tjmax=175 ):Tj=109 < 125 摄 氏 度 ( 在 100 下 工 作 ), 短 路 时 间 20μs 时 MOSFET 可 以 满 足 使 用 4.3 电 机 断 路 器 温 度 降 额 准 则 图 7 为 电 机 断 路 器 温 度 降 额 示 意 图 10

图 7 电 机 断 路 器 温 度 降 额 示 意 图 Electromechanical Devices( 电 机 装 置 ) Measured Temperature( 温 度 测 量 值 ) Relays ( 继 电 器 ) Fans and Blowers ( 鼓 风 机 和 风 机 ) Circuit Breakers ( 断 路 器 ) 5 总 结 本 文 主 要 介 绍 了 温 升 试 验 的 目 的 方 法 及 相 关 热 评 估 标 准, 为 后 续 车 用 电 器 产 品 的 热 评 估 做 参 考, 温 升 试 验 是 为 了 验 证 产 品 的 热 设 计, 产 品 热 设 计 需 要 考 虑 降 额 设 计, 本 文 限 于 篇 幅 未 对 电 流 电 压 功 率 等 的 降 额 设 计 进 行 介 绍 实 际 情 况 下, 各 类 产 品 及 其 内 部 器 件 的 温 度 由 于 测 量 方 式 的 限 制 及 产 品 类 型 的 不 同, 其 温 度 限 值 的 指 标 也 不 同 例 如 : 半 导 体 器 件 只 能 通 过 测 量 其 表 面 温 度 Tc, 再 去 计 算 Tj 的 符 合 性 ; 电 阻 电 容 元 件 由 于 其 重 要 指 标 为 工 作 温 度, 故 只 需 要 测 量 其 表 面 温 度 Tc 或 温 升 Tr 即 可 ; 对 于 线 缆 电 机 PCB 等 产 品, 只 需 要 测 试 其 表 面 温 度 Tc 即 可 故 各 类 产 品 温 升 试 验 中, 温 度 限 值 类 型 也 有 不 同 5 参 考 资 料 1 PT&Q0203,Component Derating Guidelines FOR High Reliability Power Assemblies, 2003 2 GMW 8288, 电 子 设 备 发 热 量 评 估,2002 3 孙 建 龙, 安 全 试 验 中 的 温 升 测 量, 可 靠 性 与 环 境 试 验 技 术 及 评 价,2002 4 陈 学 武, 电 机 的 温 度 与 温 升, 黑 龙 江 水 利 科 技,2005 11