|
衛(wèi)星用DC/DC變換器的高可靠和長壽命，是確保其完成飛行使命的基本條件之一。但人們對DC/DC變換器可靠性的認識通常集中在元器件固有質(zhì)量或產(chǎn)品組裝工藝缺陷方面，往往忽略了系統(tǒng)設(shè)計（包括技術(shù)方案和電路拓撲設(shè)計、輸入/輸出接口設(shè)計、環(huán)境試驗條件適應(yīng)性設(shè)計等）缺陷和電壓、電流和溫度應(yīng)力對可靠性的影響。 據(jù)美國海軍電子實驗室的統(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，可靠性問題的80％來源于設(shè)計方面（日本把元器件的選型和質(zhì)量等級的確定以及元器件的負荷能力等都歸入設(shè)計上的原因）。國產(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(shè)計缺陷。 以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，控制和減少由于技術(shù)方案選擇、電路拓撲設(shè)計以及元器件使用設(shè)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)的可靠性有重大影響。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，有利于控制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(fù)布線。缺點是電源的多負載，很難保證電源的輸出伏安特性滿足每個負載的要求。 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高了動態(tài)響應(yīng)特性，這是解決低壓大電流（如2V/20A）問題的必須和唯一技術(shù)途徑。這種供電方式的基本特征是將負載功率或負載特性分解，分擔(dān)給多個電源模塊來承擔(dān)。 從可靠性模型上來說，分布式供電系統(tǒng)的多個DC/DC變換器屬于可靠性并聯(lián)系統(tǒng)，容易組成N+1冗余供電，擴展功率也相對容易。所以，采用分布式供電系統(tǒng)，能夠滿足航天電源產(chǎn)品的可靠性方案設(shè)計要求。目前，國產(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高DC/DC變換器供電系統(tǒng)的可靠性具有至關(guān)重要的意義。 電路拓撲的選擇與設(shè)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、全橋式。 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。考慮到輸入電壓的變化范圍和電磁干擾電壓峰值，并要留有一定的安全余度，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(dāng)輸入母線電壓+42V時，功率管的漏源電壓應(yīng)該為200V。 推挽和全橋拓撲有可能出現(xiàn)單向磁偏飽和現(xiàn)象，主要是兩路功率開關(guān)輪流導(dǎo)通時不完全對稱，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，一只功率管會首先損壞。近年來，在國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)采用性能參數(shù)一致性好的MOSFET，就可以消除單向磁偏飽和現(xiàn)象。原因是MOSFET的導(dǎo)通損耗具有正溫度特性，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性。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(yīng)該說只要實施有效的可靠性技術(shù)措施，推挽拓撲的大電流、高效率、高可靠優(yōu)勢會充份地發(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高的安全性和可靠性。 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高。目前，國內(nèi)外廣泛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(shè)計過程中，對組成產(chǎn)品的所有部件、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(shè)備可靠性預(yù)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變換器的高可靠要求，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(shè)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(dǎo)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(yīng)的可靠性計算模型（見圖2）。 圖2 DC/DC變換器可靠性框圖 其中，λ1、R1為輸入濾波電路的失效率、可靠度；λ2、R2為主電路的失效率、可靠度；λ3、R3為輸出濾波電路的失效率、可靠度。可靠性模型中的主電路內(nèi)部各功能電路為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 根據(jù)圖2所示可以計算其可靠度。 RS=R1·R2·R3 （1） 其可靠度計算結(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(shè)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(yīng)的可靠性計算模型圖（見圖4）。 圖4 冗余設(shè)計后的DC/DC變換器可靠性框圖 其中，λ1、R1為輸入濾波電路的失效率、可靠度；λ2、R2為主備份電路的失效率、可靠度；λ3、R3為輸出濾波電路的失效率、可靠度。可靠性模型中的主電路內(nèi)部各功能電路為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 根據(jù)圖4所示，可以計算其可靠度。 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(shè)計后，DC/DC變換器的可靠度可以大大提高。 降額設(shè)計 因電子產(chǎn)品的可靠性對電應(yīng)力和溫度應(yīng)力較敏感，故而降額設(shè)計技術(shù)對電子產(chǎn)品則顯得尤為重要，成為可靠性設(shè)計中必不可少的組成部分。按照GJBZ35-93的要求，航天器所用元器件的所有參數(shù)必須實施Ⅰ級降額。 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(dǎo)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所有參數(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(dǎo)體器件，即使是各參數(shù)均降額了，最終還要歸結(jié)到結(jié)溫是否滿足降額要求。 降額設(shè)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(yù)期效果。例如，對電容器額定電壓的降額，由于器件特性的差異（如漏電流、RSE等)，簡單串聯(lián)后并不能完全滿足降額要求。 熱設(shè)計 產(chǎn)品研制經(jīng)驗告訴我們，熱應(yīng)力對電源可靠性的影響往往不亞于電應(yīng)力。電源內(nèi)部功率器件的局部過熱，包括輸出整流管的發(fā)熱，很可能導(dǎo)致失效現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)溫度超過一定值時，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加，當(dāng)達到極限值時將導(dǎo)致元器件失效。國外統(tǒng)計資料指出，溫度每升高2℃，電子元器件的可靠性下降10％，器件溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6，足見熱設(shè)計的必要性。電源熱設(shè)計的原則有兩個：一是提高功率變換效率，選用導(dǎo)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(dǎo)，且由于安裝位置的影響，DC/DC變換器一般主要通過傳導(dǎo)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(shè)備結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到設(shè)備殼體，再由設(shè)備安裝面?zhèn)鲗?dǎo)到衛(wèi)星殼體，由整星進行溫控。 1 MOSFET熱耗控制 MOSFET的熱耗主要來自導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗兩部分。導(dǎo)通損耗是由于MOSFET的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的，開關(guān)損耗是由MOSFET的開啟和關(guān)斷特性產(chǎn)生的，而MOSFET的開啟和關(guān)斷特性取決于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)損耗的控制主要有以下幾點。 ①針對不同的MOSFET設(shè)計各自的柵極驅(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(shè)計合理的工作頻率。 ③通過變壓器繞制工藝設(shè)計，控制變壓器的漏感，進而減小MOSFET的漏源極電壓尖峰。如反激型變壓器設(shè)計就采用“三明治”式繞法，即初級繞組先繞一半，再繞次級繞組，繞后再將初級繞組剩余的匝數(shù)繞完，最后將次級繞組包裹在里面，這樣漏感最小（見圖5）。 圖5 反激型變壓器的繞制示意 ④通過吸收電路的設(shè)計，進一步控制由于變壓器漏感引起的MOSFET漏源極電壓尖峰。設(shè)計原則是吸收電路的自身損耗較小且盡可能有效地控制電壓尖峰。 一般通過上述電路設(shè)計，MOSFET熱耗可以達到比較理想的結(jié)果。 2變壓器熱耗控制 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(yīng)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——工作磁通密度的最大偏移值，單位為G。 對磁滯損耗的控制設(shè)計中主要有以下幾點。 ① 設(shè)計比較合適的工作頻率； ② 合適的初級繞組匝數(shù)； ③ 工作磁通密度的最大偏移值的降額設(shè)計。 在電阻損耗的控制設(shè)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 輸出整流電路熱耗控制 輸出整流電路的熱耗主要由整流二極管產(chǎn)生，整流二極管熱耗主要來自導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗兩部分。對于導(dǎo)通損耗的控制設(shè)計主要是根據(jù)輸出電流和工作頻率選擇合適的整流二極管，如快恢復(fù)二極管或肖特基二極管。 對于開關(guān)損耗的控制主要有以下幾點。 ①選擇反向恢復(fù)特性好的整流管； ②通過吸收電路的設(shè)計，控制整流管反向電壓尖峰。 衛(wèi)星DC/DC變換器的可靠性分析與計算 產(chǎn)品的可靠性取決于產(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(shè)備或系統(tǒng)，在不進行預(yù)防性維修時，或者不可修復(fù)的產(chǎn)品，其失效率曲線的典型形態(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。第一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高，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 FailureRate）型。其失效原因大多屬于設(shè)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(yīng)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，以便改善其技術(shù)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（ConstantFailureRate）型。產(chǎn)品的可靠性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、可靠性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(shè)計余度不夠造成隨機失效。研究這一時期的失效原因，對提高產(chǎn)品的可靠性具有重要意義。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。 一般在進行可靠度預(yù)計時，進口元器件失效率數(shù)據(jù)參考MIL-HDBK-217F，國產(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技術(shù)方案、設(shè)計過載保護電路、FMEA及冗余設(shè)計、降額設(shè)計、熱設(shè)計等不同角度闡述了提高航天器DC/DC變換器可靠性的設(shè)計要求。其中尤為重要的思想是，航天器DC/DC變換器可靠性的保證不能僅僅依賴于元器件的固有可靠性，而是上述諸多因素共同作用的結(jié)果。 |
