聯(lián)系信息

據(jù)美*電子實驗室的統(tǒng)計，整機出現(xiàn)故障的原因和各自的百分比如表1所示。

日本的統(tǒng)計資料表明，問題的80％來源于設計方面（日本把元器件的選型和質(zhì)量等的確定以及元器件的負荷能力等都歸入設計上的原因）。產(chǎn)星用DC/DC變換器雖然在軌試驗中尚未出現(xiàn)失效現(xiàn)象的歷史記錄，但在地面試驗中，已經(jīng)有過不少的故障歸零報告，基本上屬于設計缺陷。

以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，和減少由于方案選擇、電路拓撲設計以及元器件使用設計原因所造成的DC/DC變換器故障，具有重要意義。

DC/DC變換器供電方式的選擇
DC/DC變換器供電方式的不同，對整個供電系統(tǒng)的有重大影響。衛(wèi)星用DC/DC變換器的配電系統(tǒng)一般有兩種方式：集中式供電和分布式供電。

集中式供電的優(yōu)點是DC/DC變換器數(shù)量少，有利于和減少電源的體積和重量，同時簡化了一次電源到DC/DC變換器之間的重復布線。缺點是電源的多負載，很難電源的輸出伏安特每個負載的要求。

分布式供電系統(tǒng)的優(yōu)點是DC/DC變換器靠近供電負載，在減小傳輸損耗的同時提了動態(tài)響應特，這是解決低壓大電流（如2V/20A）問題的必須和*途徑。這種供電方式的基本特征是將負載功率或負載特分解，分擔給多個電源模塊來承擔。

從模型上來說，分布式供電系統(tǒng)的多個DC/DC變換器屬于并統(tǒng)，組成N+1冗余供電，擴展功率也相對。所以，采用分布式供電系統(tǒng)，能夠航天電源產(chǎn)品的方案設計要求。目前，產(chǎn)衛(wèi)星DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)，基本上實現(xiàn)了從分系統(tǒng)共用一個結(jié)構(gòu)模塊電源的集中供電方式，過渡到采用通用化、模塊化、小型化的“三化”電源產(chǎn)品的分布式供電。

因此綜合考慮用電系統(tǒng)的具體需求，選擇合理的供電方式對提DC/DC變換器供電系統(tǒng)的具有的意義。

電路拓撲的選擇與設計
可供衛(wèi)星DC/DC變換器功率變換選用的基本電路拓撲有8種，分別是單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式、雙正激式、雙管正激式、半橋式、橋式。

前6種拓撲功率開關(guān)管在關(guān)閉時要承受2倍輸入電壓?？紤]到輸入電壓的變化范圍和電磁干擾電壓峰值，并要留有的余度，功率開關(guān)管的耐壓值，需要達到輸入額定電壓的4倍以上。例如，當輸入母線電壓+42V時，功率管的漏源電壓應該為200V。

推挽和橋拓撲有可能出現(xiàn)單向磁偏飽和現(xiàn)象，主要是兩路功率開關(guān)輪流導通時不對稱，使充磁和退磁的兩個伏秒面積不等而造成的。一旦出現(xiàn)該現(xiàn)象，一只功率管會先損壞。近年來，在外對推挽拓撲的單向磁偏所進行的專題研究中，發(fā)現(xiàn)功率開關(guān)采用能參數(shù)一致好的MOSFET，就可以消除單向磁偏飽和現(xiàn)象。原因是MOSFET的導通損耗具有正溫度特，可實現(xiàn)自動溫度平衡的功能，將自動維持兩管伏秒面積的等值。這些結(jié)論，我們已經(jīng)在多顆衛(wèi)星DC/DC變換器試驗中得到了驗證，應該說只要實施的措施，推挽拓撲的大電流、率、會充份地發(fā)揮出來。

理論分析和實踐結(jié)果表明，半橋拓撲具有自動抗不平衡的能力。一般認為，500W以下，雙管正激和半橋拓撲具有較的和。

單端反激拓撲不適用于負載電流大范圍變化的情況，空載時的輸出電壓也會明顯增。目前，外采用外接電阻負載克服空載失控現(xiàn)象，但這會降低電源效率。由于電源輸出功率與外接電阻值成反比關(guān)系，因此，單端反激拓撲只適用于輸出功率較小的場合。

失效模式及影響分析（FMEA）
失效模式及影響分析是指，在產(chǎn)品設計過程中，對組成產(chǎn)品的部件、元器件可能發(fā)生的故障造成的影響進行分析，并規(guī)劃糾正措施。

元器件的故障模式參照GJB電子設備預計手冊。分析中不考慮無關(guān)的雙重故障，但考慮單一故障引起的連鎖影響，即二次故障。

由于航天器DC/DC變換器的要求，供電系統(tǒng)不允許單點故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設計。但不是說考慮了備份冗余以后，進行FMEA的結(jié)果就不存在單點故障。因為，往往表面上看不是單點故障的失效模式，深入分析后就會發(fā)現(xiàn)由于共陰模式的存在而導致單點失效。

例如，某DC/DC變換器主要功能電路如圖1所示。

圖1  DC/DC變換器電路框圖

按照圖1所示的DC/DC變換器電路原理框圖，建立相應的計算模型（見圖2）。

圖2  DC/DC變換器框圖

其中，λ1、R1為輸入濾波電路的失效率、度；λ2、R2為主電路的失效率、度；λ3、R3為輸出濾波電路的失效率、度。模型中的主電路各功能電路為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)圖2所示可以計算其度。

RS=R1·R2·R3            （1）
其度計算結(jié)果為（45℃，3年）：0.993 14。

如果對上述DC/DC變換器進行備份冗余設計后，其電路如圖3所示。

圖3  備份冗余后DC/DC變換器電路框圖

按照圖3建立相應的計算模型圖（見圖4）。

圖4 冗余設計后的DC/DC變換器框圖

其中，λ1、R1為輸入濾波電路的失效率、度；λ2、R2為主備份電路的失效率、度；λ3、R3為輸出濾波電路的失效率、度。模型中的主電路各功能電路為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)圖4所示，可以計算其度。

RS=R1·[1-2（1-R2）]·R3   （2）
計算結(jié)果為（45℃，3年）：0.999 65。
可見，進行備份冗余設計后，DC/DC變換器的度可以大大提。

降額設計
因電子產(chǎn)品的對電應力和溫度應力較敏感，故而降額設計對電子產(chǎn)品則顯得尤為重要，成為設計中*的組成部分。按照GJBZ35-93的要求，航天器所用元器件的參數(shù)必須實施Ⅰ降額。
DC/DC變換器中所用元器件種類較多，有阻容器件、大功率半導體器件、電感器件、繼電器、保險絲等，針對不同器件要分析需要降額的參數(shù)，且要綜合考慮。而且，對同一器件不同參數(shù)做降額時要考慮參數(shù)之間的相互影響，即一個參數(shù)作調(diào)整時往往會帶

來其他工作參數(shù)的變化。對半導體器件，即使是各參數(shù)均降額了，zui終還要歸結(jié)到結(jié)溫是否降額要求。
降額設計要建立在對電路工作狀態(tài)認真分析的基礎(chǔ)上，確認達到預期效果。例如，對電容器額定電壓的降額，由于器件特的差異（如漏電流、RSE等），簡單串聯(lián)后并不能降額要求。

熱設計
產(chǎn)品研制經(jīng)驗告訴我們，熱應力對電源的影響往往不亞于電應力。電源功率器件的局部過熱，包括輸出整流管的發(fā)熱，很可能導致失效現(xiàn)象發(fā)生。當溫度過值時，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加，當達到限值時將導致元器件失效。外統(tǒng)計資料指出，溫度每升2℃，電子元器件的下降10％，器件溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6，足見熱設計的必要。電源熱設計的原則有兩個：一是提功率變換效率，選用導通壓降小的元器件簡化電路，減少發(fā)熱源。二是實施熱轉(zhuǎn)移和熱平衡措施，防止和杜絕局部發(fā)熱現(xiàn)象。

由于衛(wèi)星所處空間環(huán)境的影響，散熱方式只有輻射和傳導，且由于安裝位置的影響，DC/DC變換器一般主要通過傳導進行散熱，也就是通過機殼安裝面，將DC/DC變換器產(chǎn)生的熱量經(jīng)設備結(jié)構(gòu)傳導到設備殼體，再由設備安裝面?zhèn)鲗У叫l(wèi)星殼體，由整星進行溫控。

1 MOSFET熱耗
MOSFET的熱耗主要來自導通損耗、開關(guān)損耗兩部分。導通損耗是由于MOSFET的導通電阻產(chǎn)生的，開關(guān)損耗是由MOSFET的開啟和關(guān)斷特產(chǎn)生的，而MOSFET的開啟和關(guān)斷特取決于MOSFET的器件參數(shù)（如輸入電容）、驅(qū)動波形、工作頻率、電路寄生參數(shù)等因素。

開關(guān)損耗的主要有以下幾點。
①針對不同的MOSFET設計各自的柵驅(qū)動，加速MOSFET的開啟和關(guān)斷。另外，通過驅(qū)動加速電容，使得驅(qū)動波形的上升沿時間縮短。

②綜合考慮設計合理的工作頻率。

③通過變壓器繞制工藝設計，變壓器的漏感，進而減小MOSFET的漏源電壓。如反激型變壓器設計就采用“三明治”式繞法，即初繞組先繞一半，再繞次繞組，繞后再將初繞組剩余的匝數(shù)繞完，zui后將次繞組包裹在里面，這樣漏感zui?。ㄒ妶D5）。

圖5  反激型變壓器的繞制示意

④通過吸收電路的設計，進一步由于變壓器漏感引起的MOSFET漏源電壓。設計原則是吸收電路的自身損耗較小且盡可能地電壓。

一般通過上述電路設計，MOSFET熱耗可以達到比較的結(jié)果。

2變壓器熱耗
變壓器熱耗主要來自磁滯損耗、渦流損耗和電阻損耗。磁滯損耗與變壓器繞組和工作方式有關(guān)，可以由公式（3）表示。渦流損耗是由磁芯內(nèi)環(huán)流造成的；電阻損耗是由變壓器繞組電阻產(chǎn)生的，分直流電阻損耗和集膚效應電阻損耗兩種。

Peddy≈khVefSWB2MAX        （3）
式中，Kh——材料的磁滯損耗常數(shù)；
Ve——磁芯體積，單位為cm3；
fSW——開關(guān)頻率，單位為Hz；
BMAX——工作磁通密度的zui大偏移值，單位為G。
對磁滯損耗的設計中主要有以下幾點。

① 設計比較合適的工作頻率；

② 合適的初繞組匝數(shù)；

③ 工作磁通密度的zui大偏移值的降額設計。

在電阻損耗的設計中，盡量采用多股線替代單根線，從而將變壓器磁芯繞滿。

3  輸出整流電路熱耗
輸出整流電路的熱耗主要由整流二管產(chǎn)生，整流二管熱耗主要來自導通損耗、開關(guān)損耗兩部分。對于導通損耗的設計主要是根據(jù)輸出電流和工作頻率選擇合適的整流二管，如快恢復二管或肖特基二管。

對于開關(guān)損耗的主要有以下幾點。

①選擇反向恢復特好的整流管；

②通過吸收電路的設計，整流管反向電壓。

衛(wèi)星DC/DC變換器的分析與計算
產(chǎn)品的取決于產(chǎn)品的失效率，而失效率隨工作時間的變化具有不同的特點。根據(jù)長期以來的理論研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計可發(fā)現(xiàn)，由許多元器件構(gòu)成的機器、設備或系統(tǒng)，在不進行預防維修時，或者不可修復的產(chǎn)品，其失效率曲線的形態(tài)相似于浴盆的剖面，所以又稱為浴盆曲線（Bathtub-curve），如圖6所示。

圖6 失效率浴盆曲線

由圖6可見，失效率明顯地分為三個不同的階段或時期。*段曲線是元件的早期失效期，表明元件在開始使用時的失效率很，但隨著產(chǎn)品工作時間的增加，失效率迅速降低，屬于遞減型——DFR（Decreasing Failure Rate）型。其失效原因大多屬于設計缺陷、制造工藝缺陷和元器件固有缺陷一類。為了縮短早期失效的時間，產(chǎn)品應在投入運行之前進行試運轉(zhuǎn)，以便及早發(fā)現(xiàn)、修正和排除缺陷；或通過試驗進行篩選和淘汰次品，以便改善其狀態(tài)。

第二階段曲線是元件的偶然（也稱隨機）失效期，特點是失效率低且穩(wěn)定，可近似看做常數(shù)，失效屬于恒定期——CFR（Constant Failure Rate）型。產(chǎn)品的指標所描述的就是這個時期，它是產(chǎn)品的良好使用階段。產(chǎn)品的壽命試驗、試驗一般都是在偶然失效期進行的。

產(chǎn)品的失效是由多種不太嚴重的偶然因素引起的，通常是產(chǎn)品設計余度不夠造成隨機失效。研究這一時期的失效原因，對提產(chǎn)品的具有重要意義。因為在這一階段中，產(chǎn)品失效率近似為一個常數(shù)。

第三段曲線是元件的損耗失效期，失效率隨時間延長而急速增加，元件的失效率屬于遞增型——IFR（Increasing failure Rate）型。到了此時，元件損傷嚴重或已經(jīng)疲勞，壽命即將結(jié)束。

一般在進行度預計時，元器件失效率數(shù)據(jù)參考MIL-HDBK-217F，產(chǎn)元器件失效率數(shù)據(jù)參考GJB/Z 299C。

結(jié)語
本文從選擇合理的電路方案、設計過載保護電路、FMEA及冗余設計、降額設計、熱設計等不同角度闡述了提航天器DC/DC變換器的設計要求。其中尤為重要的思想是，航天器DC/DC變換器的不能依賴于元器件的固有，而是上述諸多因素共同作用的結(jié)果。