雷 鑫，高 成，李 嘉，黃姣英，楊達(dá)明

(1.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191；2.北京遙感設(shè)備研究所，北京 100854)

DC-DC 電源模塊是一種開關(guān)電源電路，它使用功率半導(dǎo)體功率開關(guān)組件來完成DC-DC 輸出功率轉(zhuǎn)換[1]，廣泛應(yīng)用在航空航天、國防等領(lǐng)域，且具有功率密度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)[2]，其工作狀態(tài)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有著舉足輕重的影響[1,3-5]。

壽命是系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)中極為重要的組成部分，在新研裝備及現(xiàn)役裝備中存在著大量的壽命評(píng)估需求[6]。隨著裝備可靠性水平的不斷提高，DC-DC 電源模塊逐漸向高可靠長壽命方向發(fā)展[7-8]，相關(guān)壽命評(píng)估需求也變得越來越迫切，針對(duì)DC-DC 電源模塊進(jìn)行壽命評(píng)估有著極大價(jià)值和重要意義。

DC-DC 電源模塊中包含著一定的薄弱環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)在電路中承擔(dān)著不同的任務(wù)，在薄弱環(huán)節(jié)中，電子器件引起的失效是DC-DC 電源模塊失效的主要原因，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)容易失效且在模塊中發(fā)揮主要作用的器件有[9]：MOSFET、電容、肖特基二極管、電阻、變壓器[10]等。因此DC-DC 電源模塊主要針對(duì)內(nèi)部器件開展壽命研究，通過分析具體器件以評(píng)估電源模塊的壽命有助于簡化評(píng)估工作，提高評(píng)估效率。另外，針對(duì)整體或利用其他方法對(duì)DC-DC 電源模塊進(jìn)行壽命評(píng)估的研究也擁有考慮范圍廣、可探究耦合關(guān)系以及方法新穎等優(yōu)點(diǎn)，具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。本文對(duì)各薄弱環(huán)節(jié)的主要測(cè)試和壽命評(píng)估方法以及其他壽命評(píng)估方法進(jìn)行了簡要介紹和總結(jié)。

1 DC-DC 電源模塊工作原理和壽命評(píng)估研究方法分類

1.1 工作原理

主電路以及負(fù)反饋控制電路結(jié)合組成了DC-DC 電源模塊的電路系統(tǒng)。其中，“濾波網(wǎng)絡(luò)+功率變換電路”等于主電路，可以完成功率變換與濾波。輸出電壓則由負(fù)反饋電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。

采樣后，補(bǔ)償增加級(jí)將補(bǔ)償輸出電壓與參考工作電壓之間的誤差。當(dāng)該信號(hào)改變?yōu)槊}沖序列控制信號(hào)時(shí)，脈沖寬度需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。脈沖放大由驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，并且該信號(hào)影響功率開關(guān)器件的開與斷。

對(duì)于開關(guān)器件而言，周期內(nèi)的導(dǎo)通占空比利用控制輸入信號(hào)表示，DC-DC 電源模塊的輸出電壓可利用控制輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。DC-DC 電源模塊電路組成如圖1 所示。

圖1 DC-DC電源模塊電路組成

PWM 與PFM 是DC-DC 電源模塊通斷開關(guān)的兩種調(diào)制方式[9,11]。PWM 調(diào)制方式調(diào)節(jié)占空比的方式為開關(guān)頻率的利用[12]，其具有噪聲低的優(yōu)勢(shì)。PFM 調(diào)制方式則通過開關(guān)頻率的不同改變電源電壓。

DC-DC 電源模塊由于自身的特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜[13-16]，故評(píng)估其壽命的研究方法也十分豐富。

1.2 壽命評(píng)估研究方法分類

DC-DC 電源模塊在整個(gè)壽命周期中，伴隨著各種各樣的可能退化和失效，造成退化和失效的原因各不相同。復(fù)雜系統(tǒng)的壽命與內(nèi)部器件的壽命息息相關(guān)，若統(tǒng)一其內(nèi)部器件的壽命或者對(duì)所有器件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，則能追求最優(yōu)性價(jià)比，然而實(shí)際上各器件之間的壽命性能天差地別，實(shí)現(xiàn)難度極大[1]。所以主要的壽命評(píng)估方法是針對(duì)模塊中容易失效或者能影響模塊主要功能的器件進(jìn)行的，即主要研究方法是針對(duì)模塊內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行壽命評(píng)估。

考慮到在模塊內(nèi)部各薄弱環(huán)節(jié)可能存在耦合效應(yīng)，部分器件存在分析不徹底的實(shí)際情況，針對(duì)DC-DC 電源模塊開展整體壽命評(píng)估也具有十分重要的意義。同時(shí)，利用加速壽命實(shí)驗(yàn)進(jìn)行壽命評(píng)估存在著時(shí)間冗長、費(fèi)用昂貴等一系列問題[17]，部分研究針對(duì)這些問題提出了新穎的解決方法，采用虛擬的手段對(duì)壽命進(jìn)行評(píng)估。這部分歸納于其他壽命評(píng)估方法研究中。研究方法分類如圖2 所示。

2 針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的壽命評(píng)估方法

2.1 鋁電解電容

鋁電解電容可用于濾波和儲(chǔ)能，廣泛存在于輸入輸出電路中，且在濾波電路中也是其中的重要元件[18-19]，不合要求的電流分量被濾波電容吸收，進(jìn)一步濾除其紋波電壓分量[20]。圖3 是某型鋁電解電容。

圖3 某型鋁電解電容

鋁電解電容變化一般會(huì)導(dǎo)致電源模塊的紋波發(fā)生變化，故可選擇紋波電壓作為特征信號(hào)，其壽命可通過劣化注入法進(jìn)行評(píng)估，其基本流程如圖4 所示。

圖4 劣化注入法基本流程圖

劣化注入法的主要流程如下：

(1)首先明確研究對(duì)象為鋁電解電容，根據(jù)鋁電解電容的濾波作用，選擇DC-DC 電源模塊的紋波電壓值作為特征信號(hào)，并確定失效判據(jù)。

(2)通過結(jié)合前期確定的失效判斷準(zhǔn)則，改變鋁電解電容的等效串聯(lián)電阻和電容量，利用Saber 軟件分析對(duì)特征信號(hào)的影響。根據(jù)相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)，利用工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建剩余壽命預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[21]。

(3)使用劣化注入法觀察鋁電解電容對(duì)紋波電壓的動(dòng)態(tài)影響，測(cè)試數(shù)據(jù)可用來進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)。

此方法針對(duì)鋁電解電容，主要特點(diǎn)是可以控制鋁電解電容的劣化參數(shù)電容值和等效串聯(lián)電阻以直接觀察DC-DC 電源模塊受電容劣化的影響。

2.2 MOSFET

MOSFET 全稱為金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)[22]，作為開關(guān)器件在DC-DC 電源模塊中起開關(guān)作用，常用的MOSFET 類型有LDMOS 和VDMOS[23]。

(1)VDMOS

VDMOS 全稱為垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(vertical double-diffused metal oxide semiconductor field effect transistor)，廣泛應(yīng)用于小于500 W 的中低功率開關(guān)電源中[23-25]，其還具備熱穩(wěn)定性好、高頻特性好等優(yōu)點(diǎn)。

VDMOS 的壽命一般采用恒定電應(yīng)力溫度斜坡法(CETRM，constant electrical stress and temperature ramp stress method)進(jìn)行評(píng)估。CETRM 在進(jìn)行時(shí)使用的電應(yīng)力不變，通過序進(jìn)改變溫度應(yīng)力致使器件參數(shù)退化，達(dá)到加速壽命實(shí)驗(yàn)的目的[26-27]。

VDMOS 的恒定電應(yīng)力溫度斜坡法的主要流程為：實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品和石棉板一起放入溫箱，連接實(shí)驗(yàn)電路之后施加合適的電應(yīng)力條件以保證：VDMOS 的漏源電壓不變；在不同的溫度點(diǎn)調(diào)節(jié)柵源電壓保證漏源電流不變[28]。

利用溫箱施加合適的初始溫度應(yīng)力，升溫速率根據(jù)產(chǎn)品條件確定，每48 h 關(guān)閉溫箱電源，從溫箱中取出樣品，測(cè)量包括閾值電壓、導(dǎo)通電阻在內(nèi)的諸多電參數(shù)，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行1 000 h。需要注意的是，在進(jìn)行電參數(shù)測(cè)量時(shí)，樣品需要冷卻2 h 后再進(jìn)行測(cè)試。

利用CETRM 理論模型計(jì)算樣品在正常工作情況下的壽命，過程如下：

式中：M為失效敏感參數(shù)；dM/dt為失效敏感參數(shù)退化速率；n為電流密度；m為電壓冪指數(shù)因子；Q為激活能；T為實(shí)驗(yàn)結(jié)溫；t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間；A為某常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)。

模型中的激活能Q可表示為：

式中：Ti(i=1,2,3,4)為實(shí)驗(yàn)結(jié)溫；ΔMj(j=1,2)為T1與T2之間、T3與T4之間敏感參數(shù)退化量。式中其余各項(xiàng)已知，可通過其余各項(xiàng)計(jì)算Q值，進(jìn)一步得到：

式中：t為預(yù)測(cè)工作壽命；T0為在預(yù)測(cè)工作壽命情況下的工作結(jié)溫；β 為升溫速率；T1為初始結(jié)溫；T2為失效時(shí)結(jié)溫。

圖5 為VDMOS 壽命預(yù)測(cè)流程圖。

圖5 VDMOS壽命預(yù)測(cè)流程圖

(2)LDMOS

LDMOS 全稱為水平擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(laterally -diffused metal-oxide semi-conductor field-effect transistor)，具有增益強(qiáng)、開關(guān)性能好等方面的優(yōu)點(diǎn)[29-30]，其壽命的預(yù)測(cè)方法與VDMOS 中提到的CETRM 法基本一致，僅在個(gè)別參數(shù)方面有所差異，在此不再贅述。

針對(duì)VDMOS 和LDMOS 兩種研究對(duì)象，上述過程以CETRM 作為研究方法，在適當(dāng)?shù)碾姂?yīng)力條件下逐漸升高箱體溫度，同時(shí)保持部分電參數(shù)的數(shù)值大小不變以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該方法獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確，趨勢(shì)明顯，但成本較大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長。

(3)熱振應(yīng)力混合研究

部分學(xué)者針對(duì)熱負(fù)荷和隨機(jī)振動(dòng)對(duì)DC-DC 功率升壓轉(zhuǎn)換器中金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)焊點(diǎn)疲勞壽命影響進(jìn)行了研究[31]。研究流程如下：通過建立模型，基于有限元分析提出累積蠕變應(yīng)變是熱循環(huán)焊接失效的最重要參數(shù)，最大剝離應(yīng)力是隨機(jī)振動(dòng)疲勞失效的主要因素，隨機(jī)振動(dòng)和溫度循環(huán)都會(huì)直接影響焊料層的拐角，并且在這些位置會(huì)形成裂紋。其研究流程如圖6 所示。

圖6 熱振應(yīng)力研究基本流程圖

帕爾姆格倫-邁納失效方法被用于結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)以及溫度循環(huán)兩種情況下造成的MOSFET 歸一化總損傷。其描述方法為：

式中：DRV為由隨機(jī)振動(dòng)引發(fā)的損傷；DTC為由溫度循環(huán)引發(fā)的損傷；NS為機(jī)械循環(huán)次數(shù)；ni為循環(huán)次數(shù)；Nfi為焊點(diǎn)失效的周期數(shù)。

2.3 SBD

SBD 全稱為肖特基勢(shì)壘二極管(Shottky barrier diode)，一般作為整流器件在DC-DC 電源模塊中應(yīng)用。具有導(dǎo)通壓降低、應(yīng)用場(chǎng)合豐富等優(yōu)點(diǎn)，其箝位可在高速邏輯電路中使用[32]。

SBD 的壽命評(píng)估方法與VDMOS 一致，利用恒定電應(yīng)力溫度斜坡法(CETRM)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：實(shí)驗(yàn)前確定失效敏感參數(shù)以及相關(guān)失效判據(jù)，以定量的標(biāo)準(zhǔn)明確SBD 在何時(shí)可認(rèn)為失效；將高溫導(dǎo)線與外部實(shí)驗(yàn)電路相連，樣品放置于溫箱中，升溫過程后，其穩(wěn)定工作狀態(tài)是通過電位器的調(diào)節(jié)完成的。初始溫度應(yīng)力以及后續(xù)溫度梯度由溫箱供給，升溫速率根據(jù)產(chǎn)品條件確定，每48 h 從溫箱中取出測(cè)量其正反I-V 特性曲線，利用CETRM 理論模型計(jì)算出SBD的失效激活能和在正常工作情況下的壽命。預(yù)測(cè)壽命計(jì)算方法如圖7所示。

圖7 CETRM預(yù)測(cè)壽命計(jì)算方法

2.4 過渡焊接結(jié)構(gòu)

過渡焊接結(jié)構(gòu)在DC-DC 電源模塊中廣泛存在，它們?cè)谄骷?nèi)部起到連接作用，有些關(guān)鍵部位亦需要過渡連接結(jié)構(gòu)的支撐。研究人員在科芬曼森疲勞失效模型的框架下，設(shè)計(jì)溫度循環(huán)強(qiáng)化應(yīng)力實(shí)驗(yàn)以研究產(chǎn)品內(nèi)過渡焊接結(jié)構(gòu)開裂失效引起的問題，考察焊錫量與過渡焊接結(jié)構(gòu)中焊點(diǎn)的壽命與可靠性之間的關(guān)系[33]。

科芬曼森公式可表述為：

式中：Δεp為塑性應(yīng)變范圍；B為應(yīng)變指數(shù)；A0為材料常數(shù)；Nf為疲勞焊點(diǎn)失效的周期數(shù)。

式(6)的修正模型為：

式中：β 為疲勞塑性指數(shù)；αsub為基片熱膨脹系數(shù)；Xdie為芯片焊接層厚度；Ldie為芯片對(duì)角線長；αdie為芯片熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫循變化；εf為疲勞塑形系數(shù)。

溫度循環(huán)強(qiáng)化應(yīng)力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：確定高低溫極限溫度，一般取150 和－65 ℃；高低溫循環(huán)次數(shù)100 次起，每100 次向前步進(jìn)，保溫時(shí)間為0.5 h，觀測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置在每100 次循環(huán)后，觀測(cè)對(duì)象為焊點(diǎn)的接觸點(diǎn)，觀測(cè)終了時(shí)間為焊點(diǎn)開路，觀測(cè)方法含接觸電阻測(cè)試、剖面微觀結(jié)構(gòu)分析等。

2.5 瓷介電容與厚膜電阻

瓷介電容與厚膜電阻是電源模塊中最易發(fā)生失效的部位[34]。瓷介電容以陶瓷作為介質(zhì)，以圓狀高介電常數(shù)為目標(biāo)，其工藝不復(fù)雜，燒滲法將銀制作為電極[35-36]。金屬釕系常作為電阻漿料，利用厚膜工藝印刷而成[37]。

針對(duì)瓷介電容和厚膜電阻進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)主要是通過加速壽命實(shí)驗(yàn)法[34]，基本流程如圖8 所示。

圖8 加速壽命實(shí)驗(yàn)法基本流程圖

(1)對(duì)瓷介電容，選取3 批次共450 支樣品分別在額定電壓、指定溫度(85、125 和135 ℃)以及額定功耗下進(jìn)行總計(jì)6 000 h 的加速壽命實(shí)驗(yàn)，每1 000 h 對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，以元器件參數(shù)漂移10%為失效判據(jù)測(cè)試容值、耗損、絕緣電阻值，判斷樣品是否失效，收集瓷介電容的失效數(shù)據(jù)。

(2)對(duì)厚膜電阻，在3 種不同的溫度下(85、125 和135 ℃)對(duì)樣品進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn)，總時(shí)長為6 000 h，每1 000 h 對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，以元器件參數(shù)漂移10%為失效判據(jù)測(cè)試阻值，判斷樣品是否失效。

(3)根據(jù)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算樣品的壽命信息。有如下計(jì)算方式：

式中：T′為總小時(shí)數(shù)；n′為樣品數(shù)量；t′為單個(gè)樣品小時(shí)數(shù)。有元件發(fā)生失效時(shí)：

式中：λ為失效率；r為失效樣品數(shù)。無元件發(fā)生失效時(shí)：

式中：MTBF為壽命。根據(jù)加速壽命條件下樣品的激活能，預(yù)測(cè)正常工作條件下的樣品工作壽命。

2.6 小結(jié)

本節(jié)主要針對(duì)利用器件評(píng)估DC-DC 電源模塊壽命的方法進(jìn)行了分析，討論了各種方法的具體流程，這些方法大多搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了不同類型的加速壽命實(shí)驗(yàn)或溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，這些流程需要的時(shí)長可以作為研究人員選取方法的依據(jù)，總結(jié)如表1。

表1 針對(duì)器件的壽命評(píng)估方法比較

3 其他壽命評(píng)估方法

3.1 加速壽命實(shí)驗(yàn)法

DC-DC 電源模塊也可以整體的形式進(jìn)行壽命評(píng)估[38]。采用隨機(jī)抽樣的方式抽取同型號(hào)或相似型號(hào)的、數(shù)量不少于10 只的合格樣品，實(shí)驗(yàn)條件需滿足在125 ℃殼溫、滿負(fù)載情況下進(jìn)行，總時(shí)長至少達(dá)10 000 h。確定失效敏感參數(shù)為樣品的輸出電壓，并對(duì)其進(jìn)行不間斷檢測(cè)；失效樣品在不影響其他樣品的情況下進(jìn)行撤出，且不得替換未出現(xiàn)失效的樣品或者停止其余部分的實(shí)驗(yàn)。

若無樣品失效，樣品實(shí)驗(yàn)總時(shí)間T應(yīng)當(dāng)滿足：

式中：n為樣品個(gè)數(shù)；t為單個(gè)樣品實(shí)驗(yàn)時(shí)長。此時(shí)估計(jì)MTBF的置信區(qū)間：

式中：MTBFL為平均故障間隔時(shí)間可接受的下限值；α 為給定的置信度。

若樣品失效，則實(shí)驗(yàn)總時(shí)間T為：

式中：n為樣品個(gè)數(shù)；r為失效樣品數(shù)；t為未失效樣品實(shí)驗(yàn)時(shí)長；ti為失效小時(shí)數(shù)。此時(shí)有：

通過實(shí)驗(yàn)得到的MTBF，在雙邊置信度為1-2 α 下計(jì)算上下限因子：

式中：LF為下限因子；UF為上限因子。以上兩式分母均為卡方分布。

利用MTBF與上下限因子計(jì)算DC-DC 電源模塊在加速實(shí)驗(yàn)情況下的失效時(shí)間。加速系數(shù)AT的計(jì)算公式為：

式中：τuse為正常工作條件下的使用壽命；τtest為加速情況下的使用壽命。AT還可表述為：

式中：Tuse為正常工作條件下的殼溫；k為玻爾茲曼常數(shù)；Ea為激活能。

利用上式計(jì)算DC-DC 電源模塊的激活能，根據(jù)以上公式[39-40]預(yù)測(cè)得到DC-DC 電源模塊的預(yù)測(cè)壽命。

該方法能夠比較精確地得到DC-DC 電源模塊的壽命，且針對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行研究可以有效發(fā)現(xiàn)內(nèi)部器件可能存在的相互影響的問題，隨機(jī)抽樣的方法也保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。但是，全系統(tǒng)加速壽命實(shí)驗(yàn)法成本過高，總實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)量巨大，不適用于需要快速得到壽命結(jié)論的情況。

3.2 基于分布間距的PHM 壽命評(píng)估法

有研究基于分布間距情況，利用PHM 相關(guān)方法對(duì)DCDC 電源模塊進(jìn)行壽命評(píng)估，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

PHM 技術(shù)是指利用大量的傳感器廣泛獲取設(shè)備狀態(tài)信息，然后根據(jù)故障預(yù)測(cè)結(jié)果，制定維護(hù)保養(yǎng)方案或者進(jìn)行其它計(jì)算，進(jìn)而提高設(shè)備運(yùn)行的可靠度[41-42]。基于分布間距的PHM 評(píng)估法的主要流程如圖9 所示。

圖9 基于分布間距的PHM 壽命評(píng)估方法流程圖

電源模塊的監(jiān)測(cè)狀態(tài)與正常工作數(shù)據(jù)之間的類似程度由變異系數(shù)(CV 值)進(jìn)行衡量，首先從單一敏感參數(shù)角度出發(fā)評(píng)價(jià)電源模塊健康與否。但是，由于DC-DC 電源模塊的健康狀態(tài)是由多敏感參數(shù)提供的，故利用馬氏距離，基于監(jiān)測(cè)狀態(tài)和正常狀態(tài)下馬氏距離的大小通過相似度評(píng)價(jià)樣品的健康程度。在實(shí)例驗(yàn)證中，研究人員對(duì)兩款電源基于最小冗余最大相關(guān)(mRMR)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了特征的挑選，最終選擇了4 個(gè)敏感關(guān)鍵參數(shù)并進(jìn)行了重要度排序。利用最重要的特征參數(shù)預(yù)測(cè)DC-DC 電源模塊的使用壽命。

該方法相較全系統(tǒng)加速壽命實(shí)驗(yàn)法擁有成本低、時(shí)間短等特點(diǎn)，能夠衡量數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，可計(jì)算出關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行特征選擇，數(shù)據(jù)代表性強(qiáng)，數(shù)據(jù)量適中。但對(duì)數(shù)據(jù)的選擇要求高，計(jì)算量大，對(duì)研究人員和實(shí)驗(yàn)人員都有一定的要求。

3.3 虛擬可靠性評(píng)估法

DC-DC 電源模塊通常在特定的溫度下工作，此時(shí)施加于模塊上的應(yīng)力有熱應(yīng)力以及電應(yīng)力，故分析時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮熱電耦合的情況。虛擬可靠性評(píng)估是指針對(duì)研究對(duì)象建立模型，施加相應(yīng)的應(yīng)力模擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)，提取研究對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)研究對(duì)象在相關(guān)場(chǎng)景下的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估[16]。該方法主要針對(duì)成品進(jìn)行，主要流程如下：

(1)基于FMEA、FTA 等方法對(duì)電源模塊進(jìn)行可靠性分析。通過FMEA 得出對(duì)電源模塊產(chǎn)生的影響可能是由哪些不同器件的不同故障模式所引起的；通過FTA 得到造成電源模塊相關(guān)故障的最小割集；通過可靠性分析得出影響電源模塊的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)Saber 軟件建立其電路仿真模型，其熱仿真模型在確定主要熱源后利用ANSYS WORKBENCH 進(jìn)行建立，電路仿真模型與熱仿真模型之間的參數(shù)傳遞利用ISight 實(shí)現(xiàn)，以上三者結(jié)合得到電源模塊電特性仿真結(jié)果以及雙應(yīng)力作用下的溫度場(chǎng)。在仿真之后可利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

(3)根據(jù)雙應(yīng)力下仿真的結(jié)果，對(duì)電源模塊的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬可靠性評(píng)估，得出關(guān)鍵部分的預(yù)估壽命。

該方法通過建立模型，施加對(duì)應(yīng)的應(yīng)力條件達(dá)到對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的目的。該方法簡單易用、成本低廉，數(shù)據(jù)量適中，分析成本低；同樣的，該方法也存在不能完全代表實(shí)際情況、預(yù)測(cè)結(jié)果可能與現(xiàn)實(shí)情況脫節(jié)等問題。

3.4 虛擬鑒定法

針對(duì)車載DC-DC 電源模塊，有學(xué)者提出虛擬鑒定法以解決傳統(tǒng)加速實(shí)驗(yàn)周期長、投入大的問題[43]。針對(duì)處于研發(fā)階段的產(chǎn)品，可以采用虛擬鑒定法進(jìn)行壽命評(píng)估，其由“虛擬鑒定+加速測(cè)試驗(yàn)證+虛擬鑒定”組成，主要分為以下4 個(gè)步驟：

(1)故障易感性的評(píng)估。評(píng)估產(chǎn)品在已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的故障易感性，運(yùn)用產(chǎn)品可能發(fā)生故障的基本模型，使用仿真來確定產(chǎn)品是否滿足預(yù)期生命周期。在仿真中，失效部位包括應(yīng)力組件和損傷組件，應(yīng)力組件考慮了模塊設(shè)計(jì)，損傷組件僅基于材料特性。每部分模型都關(guān)注一個(gè)可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障的特定退化過程，判斷哪些部位容易受損。

(2)確定載荷。進(jìn)行仿真時(shí)，指定產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)和環(huán)境操作現(xiàn)場(chǎng)載荷，設(shè)計(jì)相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力和電氣故障參數(shù)監(jiān)控，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行步進(jìn)應(yīng)力仿真實(shí)驗(yàn)，以確定失效載荷和破壞載荷。

(3)加速壽命實(shí)驗(yàn)。加速壽命實(shí)驗(yàn)在略高于現(xiàn)場(chǎng)載荷的情況下進(jìn)行，即該載荷在正常工作條件之上，但未到失效載荷。這種載荷不足以引起實(shí)驗(yàn)樣品的完全失效。這些測(cè)試用于確認(rèn)是否正確預(yù)測(cè)了故障位置、模式和機(jī)制。

(4)虛擬鑒定。目的是為確定加速實(shí)驗(yàn)載荷條件下的預(yù)測(cè)壽命。確定實(shí)驗(yàn)載荷下的失效時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)載荷下的失效時(shí)間之比(即加速度系數(shù))。最后，將測(cè)試中零件的失效時(shí)間分布乘以加速系數(shù)，以確定現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)期失效時(shí)間分布。

該方法與虛擬可靠性評(píng)估法類似，但不同的是可以確定樣品的失效載荷和破壞載荷，判斷哪些部位容易在應(yīng)力過程中受損，以及能夠比較精確地控制應(yīng)力水平。同樣的，該方法可能會(huì)與現(xiàn)實(shí)情況產(chǎn)生一定程度的誤差，不能完全代表實(shí)際情況。

3.5 小結(jié)

本節(jié)主要介紹了其他評(píng)估DC-DC 電源模塊壽命的方法，這些方法在數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜度、實(shí)驗(yàn)時(shí)長、實(shí)驗(yàn)成本方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表2 所示。

表2 其他壽命評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)

4 結(jié)論

DC-DC 電源模塊的應(yīng)用場(chǎng)景豐富，且使用需求不斷提升，給其發(fā)展帶來了良好的機(jī)遇。隨著裝備可靠性水平的不斷提高，DC-DC 電源模塊發(fā)展方向逐漸轉(zhuǎn)為高可靠長壽命，相關(guān)壽命評(píng)估需求也變得越來越迫切。本文簡要總結(jié)了DCDC 電源模塊的壽命評(píng)估方法，并對(duì)各方法進(jìn)行了分析，主要完成了以下工作：

(1)常用壽命評(píng)估方法的分類。按照研究對(duì)象和研究方法的不同，對(duì)DC-DC 電源模塊壽命評(píng)估的方法分為兩大類：針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的壽命評(píng)估方法和其它類型的壽命評(píng)估方法。

(2)對(duì)各方法的操作流程進(jìn)行了總結(jié)概括。梳理了CETRM 法、劣化注入法、基于分布間距的PHM 壽命評(píng)估法、虛擬可靠性評(píng)估法和虛擬鑒定法等一些方法的實(shí)驗(yàn)流程，闡述了各方法需要的數(shù)學(xué)工具以及計(jì)算壽命的步驟。

(3)對(duì)各方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)概括。針對(duì)各方法需要的時(shí)長、成本、數(shù)據(jù)量等要點(diǎn)進(jìn)行了分析，根據(jù)壽命評(píng)估方法的分類、使用時(shí)長的不同以及優(yōu)缺點(diǎn)的描述，總結(jié)歸納并形成了分析表格。

本文可為研究人員提供參考，研究成果可用于現(xiàn)有DCDC 電源模塊壽命評(píng)估工作之中。