航天器DC/DC變換器的可靠性設計
發布時間：2009-2-12 17:10
發布者：比爾蓋
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衛星用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量或產品組裝工藝缺陷方面，往往忽略了系統設計（包括技術方案和電路拓撲設計、輸入/輸出接口設計、環境試驗條件適應性設計等）缺陷和電壓、電流和溫度應力對可靠性的影響。 據美國海軍電子實驗室的統計，整機出現故障的原因和各自的百分比如表1所示。 日本的統計資料表明，可靠性問題的80％來源于設計方面（日本把元器件的選型和質量等級的確定以及元器件的負荷能力等都歸入設計上的原因）。國產星用DC/DC變換器雖然在軌試驗中尚未出現失效現象的歷史記錄，但在地面試驗中，已經有過不少的故障歸零報告，基本上屬于設計缺陷。 以上統計數據表明，控制和減少由于技術方案選擇、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，對整個供電系統的可靠性有重大影響。衛星用DC/DC變換器的配電系統一般有兩種方式：集中式供電和分布式供電。 集中式供電的優點是DC/DC變換器數量少，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。 分布式供電系統的優點是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響應特性，這是解決低壓大電流（如2V/20A）問題的必須和唯一技術途徑。這種供電方式的基本特征是將負載功率或負載特性分解，分擔給多個電源模塊來承擔。 從可靠性模型上來說，分布式供電系統的多個DC/DC變換器屬于可靠性并聯系統，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，能夠滿足航天電源產品的可靠性方案設計要求。目前，國產衛星DC/DC變換器拓撲結構，基本上實現了從分系統共用一個結構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”電源產品的分布式供電。 因此綜合考慮用電系統的具體需求，選擇合理的供電方式對提高DC/DC變換器供電系統的可靠性具有至關重要的意義。 電路拓撲的選擇與設計 可供衛星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種拓撲功率開關管在關閉時要承受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。 推挽和全橋拓撲有可能出現單向磁偏飽和現象，主要是兩路功率開關輪流導通時不完全對稱，使充磁和退磁的兩個伏秒面積不等而造成的。一旦出現該現象，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，發現功率開關采用性能參數一致性好的MOSFET，就可以消除單向磁偏飽和現象。原因是MOSFET的導通損耗具有正溫度特性，可實現自動溫度平衡的功能，將自動維持兩管伏秒面積的等值性。這些結論，我們已經在多顆衛星DC/DC變換器試驗中得到了驗證，應該說只要實施有效的可靠性技術措施，推挽拓撲的大電流、高效率、高可靠優勢會充份地發揮出來。 理論分析和實踐結果表明，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，國內外廣泛采用外接電阻負載克服空載失控現象，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，在產品設計過程中，對組成產品的所有部件、元器件可能發生的故障造成的影響進行分析，并規劃糾正措施。 元器件的故障模式參照GJB電子設備可靠性預計手冊。分析中不考慮無關的雙重故障，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，深入分析后就會發現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�？煽啃阅Ｐ椭械闹麟娐穬炔扛鞴δ茈娐窞榇摻Y構。 根據圖2所示可以計算其可靠度。 RS=R1·R2·R3 （1） 其可靠度計算結果為（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建立相應的可靠性計算模型圖（見圖4）。 圖4 冗余設計后的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�？煽啃阅Ｐ椭械闹麟娐穬炔扛鞴δ茈娐窞榇摻Y構。 根據圖4所示，可以計算其可靠度。 RS=R1·[1-2(1-R2)]·R3 （2） 計算結果為（45℃，3年）：0.999 65。 可見，進行備份冗余設計后，DC/DC變換器的可靠度可以大大提高。 降額設計 因電子產品的可靠性對電應力和溫度應力較敏感，故而降額設計技術對電子產品則顯得尤為重要，成為可靠性設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，且要綜合考慮。而且，對同一器件不同參數做降額時要考慮參數之間的相互影響，即一個參數作調整時往往會帶 來其他工作參數的變化。對半導體器件，即使是各參數均降額了，最終還要歸結到結溫是否滿足降額要求。 降額設計要建立在對電路工作狀態認真分析的基礎上，確認達到預期效果。例如，對電容器額定電壓的降額，由于器件特性的差異（如漏電流、RSE等)，簡單串聯后并不能完全滿足降額要求。 熱設計 產品研制經驗告訴我們，熱應力對電源可靠性的影響往往不亞于電應力。電源內部功率器件的局部過熱，包括輸出整流管的發熱，很可能導致失效現象發生。當溫度超過一定值時，失效率呈指數規律增加，當達到極限值時將導致元器件失效。國外統計資料指出，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，足見熱設計的必要性。電源熱設計的原則有兩個：一是提高功率變換效率，選用導通壓降小的元器件簡化電路，減少發熱源。二是實施熱轉移和熱平衡措施，防止和杜絕局部發熱現象。 由于衛星所處空間環境的影響，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變換器產生的熱量經設備結構傳導到設備殼體，再由設備安裝面傳導到衛星殼體，由整星進行溫控。 1 MOSFET熱耗控制 MOSFET的熱耗主要來自導通損耗、開關損耗兩部分。導通損耗是由于MOSFET的導通電阻產生的，開關損耗是由MOSFET的開啟和關斷特性產生的，而MOSFET的開啟和關斷特性取決于MOSFET的器件參數（如輸入電容）、驅動波形、工作頻率、電路寄生參數等因素。 開關損耗的控制主要有以下幾點。 ①針對不同的MOSFET設計各自的柵極驅動，加速MOSFET的開啟和關斷。另外，通過驅動加速電容，使得驅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，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繞完，最后將次級繞組包裹在里面，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計，MOSFET熱耗可以達到比較理想的結果。 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，可以由公式（3）表示。渦流損耗是由磁芯內環流造成的；電阻損耗是由變壓器繞組電阻產生的，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； Ve——磁芯體積，單位為cm3； fSW——開關頻率，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 合適的初級繞組匝數； ③ 工作磁通密度的最大偏移值的降額設計。 在電阻損耗的控制設計中，盡量采用多股線替代單根線，從而將變壓器磁芯繞滿。 3 輸出整流電路熱耗控制 輸出整流電路的熱耗主要由整流二極管產生，整流二極管熱耗主要來自導通損耗、開關損耗兩部分。對于導通損耗的控制設計主要是根據輸出電流和工作頻率選擇合適的整流二極管，如快恢復二極管或肖特基二極管。 對于開關損耗的控制主要有以下幾點。 ①選擇反向恢復特性好的整流管； ②通過吸收電路的設計，控制整流管反向電壓尖峰。 衛星DC/DC變換器的可靠性分析與計算 產品的可靠性取決于產品的失效率，而失效率隨工作時間的變化具有不同的特點。根據長期以來的理論研究和數據統計可發現，由許多元器件構成的機器、設備或系統，在不進行預防性維修時，或者不可修復的產品，其失效率曲線的典型形態相似于浴盆的剖面，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，產品應在投入運行之前進行試運轉，以便及早發現、修正和排除缺陷；或通過試驗進行篩選和淘汰次品，以便改善其技術狀態。 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定，可近似看做常數，失效屬于恒定期——CFR（ConstantFailureRate）型。產品的可靠性指標所描述的就是這個時期，它是產品的良好使用階段。產品的壽命試驗、可靠性試驗一般都是在偶然失效期進行的。 產品的失效是由多種不太嚴重的偶然因素引起的，通常是產品設計余度不夠造成隨機失效。研究這一時期的失效原因，對提高產品的可靠性具有重要意義。因為在這一階段中，產品失效率近似為一個常數。 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疲勞，壽命即將結束。 一般在進行可靠度預計時，進口元器件失效率數據參考MIL-HDBK-217F，國產元器件失效率數據參考GJB/Z 299C。 結語 本文從選擇合理的電路技術方案、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高航天器DC/DC變換器可靠性的設計要求。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果。 |
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