浅谈48V DCDC 转换器硬件故障解决思路

张发家 束远涛 陈勃言 刘杰 宫克长

宁波吉利汽车研究开发有限公司创新研究院 浙江省宁波市 315300

1 引言

近几年随着国内混合动力技术地快速发展，包含BSG 电机、轻混、增程、插混、纯电动形式的新能源车辆日渐增多，新能源车辆低压供电系统，需要DCDC 转换器从高压电转换而来；但DCDC 作为伴随新能源车辆的全新部件，相对传统车型的成熟产品的故障率要高，涉及一些新技术，问题处理起来也较为棘手，本篇通过解读车辆报的故障码，梳理解决问题的思路。

2 问题描述

2.1 问题现象

某款装备BSG 电机弱混配置的SUV 车辆，在车辆试制过程中出现诊断系统报码硬件故障等问题，经过对故障件进行如下解析：

①外观检查及气密性：结果ok；

②工厂下线EOL 复测：结果not ok；

③进一步检查发现二极管漏电流fail；

④各端子阻值测量、拆开外盖测量MOSFET(用于保护电路故障的40V 安全MOSFET)短路、对MOSFET 本体进行量测，阻抗not ok；

⑤更换状态无问题件的MOSFET后重复测量MOSFET阻抗：ok。得到结论：MOSFET 短路导致DCDC 故障。

2.2 机理分析

场效应晶体管（单极型）是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好[1]；

MOSFET 失效原因如下：

①雪崩失效(电压失效)，也就是我们常说的漏源间的Vdss电压超过MOSFET 的额定电压，并且超过到达了一定的极限才能导致MOSFET 失效。例如满载工作时发生异常，触发保护模式safety switch 切断功率回路，这时电池电压、电容电压及线路中寄生电感在关断时感应出来的电压叠加后有可能超过额定电压。低温时更为恶劣，比如40V 的MOSFET 低温时额定电压会下降10%。

②SOA失效(电流失效)，既超出MOSFET 安全工作区引起的失效，分为Id超出器件规格失效以及Id过大，损耗过高器件长时间热积累而导致的失效。MOSFET工作时流过的电流不能大于额定工作电流或者流过体二极管的电流不能超过额定工作电流。比如长时间工作在过流模式下或者有大的瞬时inrush 电流流过时。

③体二极管失效：在桥式、LLC 等有用到体二极管进行续流的拓扑构造中，由于体二极管遭受破坏而导致的失效。

④谐振失效：在并联运用的过程中，栅极及电路寄生参数导致震荡引起的失效。

⑤静电失效：在秋冬时节，由于人体及设备静电而导致的器件失效。

⑥栅极电压失效：由于栅极遭受异常电压尖峰，而导致栅极栅氧层失效[2]。

⑦热跑脱：MOSFET 工作在线性区时电流增加和温度升高形成正反馈导致管子温度迅速升高最终超过节温而损坏。

⑧过功率：MOSFET 工作时消耗在MOSFET 上的功耗超过额定功率而导致产生的温升超过最大节温：Tj＞Tjmax。比如驱动电阻异常时开通或者关断的速度变慢，开关过程中的损耗增大。

3 问题排查

通过如下几个维度对故障进行全面分析：

①元器件系统选型方案合理性：通过MOS 器件Vds端电压、Id电流、功率发热损耗计算温升对表面Tcase、Tjmax等选型均有余量，综合来看选型无问题；

②电路保护设计合理性排查：通过电磁兼容试验报告排查辐射传导、静电ESD 结果均是通过；其次确认12V 电池侧压波形时是否发会造成MOSFET 元器件过压（充放电线束过长），通过复测抛负载验证结果均通过（如下图1）；

图1 台架试验结果

③实车模拟测试：车辆正常进行点火、加用电器负载、多种道路路试、模拟蓄电池负极断开等操作，MOSFET 管波形平稳，未发现异常波形（如下图2）；

图2 实车试验数据

图3 过欠压采集数据

④台架模式测试：

3.1 散热胶对产品影响：首先进行EOL 测试记录结果，去掉PCBA 背面的散热胶，重新连接设备，测试5min，样件EOL无故障，结论：散热胶对MOS 过热烧毁影响较小。

3.2 过压欠压对产品的影响：

排查步骤：1.在实验室模拟实验，通过分别调节12V 输出端、48V 输入端电压值，确认是否会触发9496 故障；

2.触发9496 故障后再将电压调节回正常范围，确认9496 故障能否自恢复，DCDC 是否可以正常工作；

排查结果：1.当输入端、输出端电压过大或过低时，可以触发0A9496 故障；

2.触发0A9496 故障之后再调整电压回到正常范围内，0A9496 故障会自动恢复，反复测试多次，DCDC 均可正常工作；说明DCDC 产品在短时过欠压有自修复功能，且不会烧蚀MOSFET。

⑤工艺规范性检查：主要从EOL 测试时48V/12V/GND 是否存在接反情况、EOL 测试程序异常、产线老化测试检测波形异常等方面，排查发现满负载工况下退出buck 模式时，MOSFET 两端电压、电流有一定的波形抖动（如下图4、图5），但依然在MOSFET正常承受范围内，后续可对EOL 流程进行优化，退出Buck 模式时，先渐进式降负载，然后再退出Buck 模式。

图4 EOL 采样数据

图5 老化采样数据

⑥质量排查：不同厂家的MOSFET 零部件混装排查、工厂ESD 防护的标准控制程序排查、SMT 产线符合量产工艺要求，MOSFET 来料质量等方面排查。

⑦故障件返厂检测：因样件烧蚀严重（如下图6 所示），反馈结果为EOS（Electrical Over Stress），可能是在burn in 中误操作引起EOS，导致MOSFET 损坏。

图6 故障件烧蚀点

⑨最终找到根本原因为工厂下线EOL 测试程序未按照软件设计要求执行，在DCDC预充执行过程中，Soft start 信号和Fast on信号被同时拉高，此时UHV 有明显电压波动（如图7 所示），瞬时电压47V（实际MOSFET 只 能 承 受40V），导 致MOSFET被击穿损坏。

图7 异常电压抓取

4 优化方案

按照需求定义，当接到预充命令时，先将Softstart 信号拉高执行软起动，目的是为了Safety Mos 闭合过程中线性工作区起限流用，然后再拉高 Fast on 信号；避免瞬时大电压。优化后产品波形如图8 所示。

图8 线性拉升的电压

5 总结

综上DCDC 硬件故障问题方案解决方案如下：

（1）产品硬件电路设计上，合理的电路元器件选型，并在电路设计中增加防浪涌结构，如增加TVS 管或热敏电阻等方案，满足瞬态传导抗扰度等方面的电性能相关要求；合理的热设计余量及水路设计，确保元器件产生的热量及时散掉。

（2）软件控制逻辑上，采用两级预充功能，当接到预充命令时，需先将Softs tart 信号拉高执行软起动，目的是为了Safety MOS闭合过程中线性工作区起限流作用，然后再拉高Fast on 信号；

（3）产线控制，符合设计要求的工艺规范，ESD 防护、EOL 下线及产线老化检测程序优化，防止突变波形对产品造车损伤，例如退出Buck 模式时，先渐进式降低负载，然后再退出Buck 模式等。