开关电源在电子系统中承担电压隔离变换和功率传递等任务,高可靠开关电源是保障其它电子系统正常工作的前提。面对复杂多变的工作剖面,如何在开关电源设计和样机研制阶段准确地评估其可靠性,并进行有针对性的优化设计,是开关电源厂家和研究人员共同关注的技术问题。目前,开关电源电热仿真分析无法准确描述随电源工况变化的元器件应力,元器件寿命预测对开关电源工作剖面考虑不足,可靠性建模忽略开关电源性能退化及其不确定因素的影响,可靠性优化设计方法缺乏对全寿命周期的稳健性和可靠性的综合考虑。这些问题导致开关电源可靠性评估结果与实际情况存在偏差,并且无法从设计源头解决开关电源全寿命周期的可靠性问题。针对以上问题,本文研究考虑工作剖面的开关电源可靠性评估及优化设计方法,建立开关电源多时间尺度电热耦合仿真模型,将开关电源工作剖面信息转换为MOSFET和铝电解电容等关键元器件的应力变化,进而基于加速寿命模型和累积损伤模型预测元器件工作寿命。从元器件参数退化和开关电源性能退化两方面研究开关电源可靠性评估方法,并分析元器件容差、参数退化和工作剖面波动等不确定因素对开关电源可靠性的影响,最终提出开关电源可靠性稳健优化设计方法,实现开关电源全寿命周期稳健性和可靠性的同步优化。首先,提出开关电源多时间尺度电热耦合仿真建模方法,实现开关电源多时间尺度电热应力的准确分析。针对开关电源中失效率最高的MOSFET和铝电解电容,分析MOSFET开关动态特性,确定特性参数与结温的关系,建立MOSFET瞬态热仿真模型,实现MOSFET电热应力的准确分析;分析铝电解电容电参数与工作条件的关系,建立铝电解电容内核温度有限元热仿真模型,实现铝电解电容电热应力的准确分析。分别利用SABER和ANSYS Icepak建立开关电源电路仿真和温度场仿真模型,并基于i SIGHT平台实现电、热仿真控制与数据交互,分析得到不同工作条件下开关电源的电热特性,实现不同工况条件下开关电源多时间尺度电热应力的准确分析,为元器件寿命预测和开关电源可靠性评估奠定基础。其次,提出基于开关电源工作剖面的关键元器件寿命预测方法,实现复杂工作剖面开关电源关键元器件的寿命预测。针对关键元器件MOSFET和铝电解电容,分析MOSFET和铝电解电容在开关电源中的失效模式与机理,根据器件失效机理进行加速试验,建立关键元器件加速寿命模型,确定元器件寿命与其工作应力的关系。分析MOSFET和铝电解电容损伤累积规律,建立关键元器件累积损伤模型,实现非恒定应力条件下元器件损伤的定量计算。利用开关电源电热耦合仿真模型,分析工作剖面条件下MOSFET和铝电解电容的电热应力,将结果代入加速寿命模型和累积损伤模型,实现复杂工作剖面下的关键元器件寿命预测,为开关电源可靠性评估提供参考依据。然后,提出基于退化的开关电源可靠性评估方法,综合考虑元器件退化不确定性和电源性能退化对开关电源可靠性的影响,实现开关电源可靠性的准确评估。从元器件退化失效和性能退化两方面建立开关电源可靠性模型,得到元器件参数退化和电源性能退化与开关电源可靠性的关系。针对寿命短板铝电解电容,提出基于电容退化失效的开关电源可靠性评估方法,建立基于时变退化分布的参数退化模型,分析铝电解电容参数退化对其寿命的“加速效应”,采用Monte Carlo仿真方法实现考虑退化不确定因素的开关电源可靠性评估。针对开关电源性能退化,提出考虑性能退化的开关电源可靠性评估方法,采用灵敏度分析方法确定导致性能波动变化的灵敏器件参数,并基于径向基函数建立用于开关电源性能快速计算的近似模型,建立开关电源性能极限状态方程,实现考虑性能退化的开关电源可靠性评估。最后,在开关电源可靠性评估基础上,提出基于元器件可靠寿命和电源寿命周期成本的开关电源可靠性稳健优化设计方法,实现开关电源全寿命周期稳健性和可靠性的同步优化。针对元器件可靠寿命优化问题,建立基于可靠寿命的稳健优化设计模型,采用粒子群算法优化电路设计参数及容差,提高开关电源工作剖面波动影响下可靠寿命的稳健性;针对开关电源性能退化问题,建立基于寿命周期成本的稳健优化设计模型,采用多目标遗传算法优化灵敏器件参数容差,提高开关电源全寿命周期的可靠性。