基于航天器DC/DC變換器的可靠性設(shè)計

　　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(fù)荷能力等都?xì)w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?fù)湓O(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(fù)載，很難保證電源的輸出伏安特性滿足每個負(fù)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(fù)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(fù)載功率或負(fù)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?fù)浣Y(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?fù)涞倪x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?fù)溆?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?fù)涔β书_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，并要留有一定的安全余度，功率開關(guān)管的耐壓值，需要達(dá)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?fù)溆锌赡艹霈F(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?fù)涞膯蜗虼牌M(jìn)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?fù)涞拇箅娏鳌⒏咝?、高可靠?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?fù)渚哂凶詣涌共黄胶獾哪芰?。一般認(rèn)為，500W以下，雙管正激和半橋拓?fù)渚哂休^高的安全性和可靠性。

　　單端反激拓?fù)洳贿m用于負(fù)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(fù)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?fù)渲贿m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(jìn)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(jìn)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。