航天器DC/DC變換器的可靠性設(shè)計(jì)

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(rèn)識(shí)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(jì)（包括技術(shù)方案和電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)、輸入/輸出接口設(shè)計(jì)、環(huán)境試驗(yàn)條件適應(yīng)性設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)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(jì)資料表明，可靠性問題的80％來源于設(shè)計(jì)方面（日本把元器件的選型和質(zhì)量等級(jí)的確定以及元器件的負(fù)荷能力等都?xì)w入設(shè)計(jì)上的原因）。國產(chǎn)星用DC/DC變換器雖然在軌試驗(yàn)中尚未出現(xiàn)失效現(xiàn)象的歷史記錄，但在地面試驗(yàn)中，已經(jīng)有過不少的故障歸零報(bào)告，基本上屬于設(shè)計(jì)缺陷。

以上統(tǒng)計(jì)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(jì)以及元器件使用設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)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(shí)簡化了一次電源到DC/DC變換器之間的重復(fù)布線。缺點(diǎn)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(gè)負(fù)載的要求。

分布式供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是DC/DC變換器靠近供電負(fù)載，在減小傳輸損耗的同時(shí)提高了動(dòng)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(gè)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(gè)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(kuò)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(jì)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(shí)現(xiàn)了從分系統(tǒng)共用一個(gè)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(jì)
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(shí)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(shí)，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(shí)不完全對稱，使充磁和退磁的兩個(gè)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(huì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度平衡的功能，將自動(dòng)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(yàn)中得到了驗(yàn)證，應(yīng)該說只要實(shí)施有效的可靠性技術(shù)措施，推挽拓?fù)涞拇箅娏?、高效率、高可靠?yōu)勢會(huì)充份地發(fā)揮出來。

理論分析和實(shí)踐結(jié)果表明，半橋拓?fù)渚哂凶詣?dòng)抗不平衡的能力。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(shí)的輸出電壓也會(huì)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(huì)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(jì)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(jì)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(diǎn)故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設(shè)計(jì)。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(diǎn)故障。因?yàn)椋砻嫔峡床皇菃吸c(diǎn)故障的失效模式，深入分析后就會(huì)發(fā)現(xiàn)由于共陰模式的存在而導(dǎo)致單點(diǎn)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(jì)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?？煽啃阅Ｐ椭械闹麟娐穬?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(jì)算其可靠度。

RS=R1·R2·R3 （1）
其可靠度計(jì)算結(jié)果為（45℃，3年）：0.993 14。

如果對上述DC/DC變換器進(jìn)行備份冗余設(shè)計(jì)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(jì)算模型圖（見圖4）。

圖4 冗余設(shè)計(jì)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?？煽啃阅Ｐ椭械闹麟娐穬?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(jì)算其可靠度。

RS=R1·[1-2(1-R2)]·R3 （2）
計(jì)算結(jié)果為（45℃，3年）：0.999 65。
可見，進(jìn)行備份冗余設(shè)計(jì)后，DC/DC變換器的可靠度可以大大提高。

降額設(shè)計(jì)
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(jì)技術(shù)對電子產(chǎn)品則顯得尤為重要，成為可靠性設(shè)計(jì)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(shí)施Ⅰ級(jí)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(xiǎn)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(shí)要考慮參數(shù)之間的相互影響，即一個(gè)參數(shù)作調(diào)整時(shí)往往會(huì)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?dú)w結(jié)到結(jié)溫是否滿足降額要求。
降額設(shè)計(jì)要建立在對電路工作狀態(tài)認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，確認(rèn)達(dá)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(jì)
產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn)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(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加，當(dāng)達(dá)到極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效。國外統(tǒng)計(jì)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(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6，足見熱設(shè)計(jì)的必要性。電源熱設(shè)計(jì)的原則有兩個(gè)：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(shí)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(jìn)行散熱，也就是通過機(jī)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(jìn)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(dòng)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(diǎn)。
①針對不同的MOSFET設(shè)計(jì)各自的柵極驅(qū)動(dòng)，加速M(fèi)OSFET的開啟和關(guān)斷。另外，通過驅(qū)動(dòng)加速電容，使得驅(qū)動(dòng)波形的上升沿時(shí)間縮短。

②綜合考慮設(shè)計(jì)合理的工作頻率。

③通過變壓器繞制工藝設(shè)計(jì)，控制變壓器的漏感，進(jìn)而減小MOSFET的漏源極電壓尖峰。如反激型變壓器設(shè)計(jì)就采用“三明治”式繞法，即初級(jí)繞組先繞一半，再繞次級(jí)繞組，繞后再將初級(jí)繞組剩余的匝數(shù)繞完，最后將次級(jí)繞組包裹在里面，這樣漏感最?。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(shè)計(jì)，進(jìn)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(jì)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(jì)，MOSFET熱耗可以達(dá)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(jì)中主要有以下幾點(diǎn)。

① 設(shè)計(jì)比較合適的工作頻率；

② 合適的初級(jí)繞組匝數(shù)；

③ 工作磁通密度的最大偏移值的降額設(shè)計(jì)。

在電阻損耗的控制設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)。

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(jì)，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(jì)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(shí)間的變化具有不同的特點(diǎn)。根據(jù)長期以來的理論研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)，由許多元器件構(gòu)成的機(jī)器、設(shè)備或系統(tǒng)，在不進(jìn)行預(yù)防性維修時(shí)，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(gè)不同的階段或時(shí)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(shí)的失效率很高，但隨著產(chǎn)品工作時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)間，產(chǎn)品應(yīng)在投入運(yùn)行之前進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，以便及早發(fā)現(xiàn)、修正和排除缺陷；或通過試驗(yàn)進(jìn)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(jī)）失效期，特點(diǎn)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)品的可靠性指標(biāo)所描述的就是這個(gè)時(shí)期，它是產(chǎn)品的良好使用階段。產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)一般都是在偶然失效期進(jìn)行的。

產(chǎn)品的失效是由多種不太嚴(yán)重的偶然因素引起的，通常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)余度不夠造成隨機(jī)失效。研究這一時(shí)期的失效原因，對提高產(chǎn)品的可靠性具有重要意義。因?yàn)樵谶@一階段中，產(chǎn)品失效率近似為一個(gè)常數(shù)。

第三段曲線是元件的損耗失效期，失效率隨時(shí)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(shí)，元件損傷嚴(yán)重或已經(jīng)疲勞，壽命即將結(jié)束。

一般在進(jìn)行可靠度預(yù)計(jì)時(shí)，進(jìn)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(jì)過載保護(hù)電路、FMEA及冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)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(jì)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。