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航天器DC/DC變換器的設(shè)計(jì)
作者:蘭州空間物理研究所 劉克承 王衛(wèi) 郭祖佑
衛(wèi)星用DC/DC變換器的和長(zhǎng)壽命,是其完成飛行使命的基本條件之一。但人們對(duì)DC/DC變換器的認(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)設(shè)計(jì)等)缺陷和電壓、電流和溫度應(yīng)力對(duì)的影響。
據(jù)美*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,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)。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,和減少由于方案選擇、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(duì)整個(gè)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(diǎn)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(shí)簡(jiǎn)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,很難電源的輸出伏安特每個(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)提了動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(fù)載功率或負(fù)載特分解,分擔(dān)給多個(gè)電源模塊來承擔(dān)。
從模型上來說,分布式供電系統(tǒng)的多個(gè)DC/DC變換器屬于并統(tǒng),組成N+1冗余供電,擴(kuò)展功率也相對(duì)。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(shè)計(jì)要求。目前,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(duì)提DC/DC變換器供電系統(tǒng)的具有的意義。
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、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,并要留有的余度,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)不對(duì)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)先損壞。近年來,在外對(duì)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(dǎo)通損耗具有正溫度特,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。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)施的措施,推挽拓?fù)涞拇箅娏?、率、?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^的和。
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。目前,外采用外接電阻負(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(chǎng)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(duì)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(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)備預(yù)計(jì)手冊(cè)。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(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)?,往往表面上看不是單點(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?qǐng)D1所示的DC/DC變換器電路原理框圖,建立相應(yīng)的計(jì)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(jì)算其度。
RS=R1·R2·R3 (1)
其度計(jì)算結(jié)果為(45℃,3年):0.993 14。
如果對(duì)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?qǐng)D3建立相應(yīng)的計(jì)算模型圖(見圖4)。
圖4 冗余設(shè)計(jì)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(jì)算其度。
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變換器的度可以大大提。
降額設(shè)計(jì)
因電子產(chǎn)品的對(duì)電應(yīng)力和溫度應(yīng)力較敏感,故而降額設(shè)計(jì)對(duì)電子產(chǎn)品則顯得尤為重要,成為設(shè)計(jì)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(shí)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(dǎo)體器件、電感器件、繼電器、保險(xiǎn)絲等,針對(duì)不同器件要分析需要降額的參數(shù),且要綜合考慮。而且,對(duì)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(duì)半導(dǎo)體器件,即使是各參數(shù)均降額了,zui終還要?dú)w結(jié)到結(jié)溫是否降額要求。
降額設(shè)計(jì)要建立在對(duì)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(duì)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(jiǎn)單串聯(lián)后并不能降額要求。
熱設(shè)計(jì)
產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn)告訴我們,熱應(yīng)力對(duì)電源的影響往往不亞于電應(yīng)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(dǎo)致失效現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)溫度過值時(shí),失效率呈指數(shù)規(guī)律增加,當(dāng)達(dá)到限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效。外統(tǒng)計(jì)資料指出,溫度每升2℃,電子元器件的下降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。電源熱設(shè)計(jì)的原則有兩個(gè):一是提功率變換效率,選用導(dǎo)通壓降小的元器件簡(jiǎn)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
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(dòng)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(diǎn)。
①針對(duì)不同的MOSFET設(shè)計(jì)各自的柵驅(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),變壓器的漏感,進(jìn)而減小MOSFET的漏源電壓。如反激型變壓器設(shè)計(jì)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(jì),進(jìn)一步由于變壓器漏感引起的MOSFET漏源電壓。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),MOSFET熱耗可以達(dá)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(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zui大偏移值,單位為G。
對(duì)磁滯損耗的設(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 合適的初繞組匝數(shù);
③ 工作磁通密度的zui大偏移值的降額設(shè)計(jì)。
在電阻損耗的設(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
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(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗兩部分。對(duì)于導(dǎo)通損耗的設(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管,如快恢復(fù)二管或肖特基二管。
對(duì)于開關(guān)損耗的主要有以下幾點(diǎn)。
①選擇反向恢復(fù)特好的整流管;
②通過吸收電路的設(shè)計(jì),整流管反向電壓。
衛(wèi)星DC/DC變換器的分析與計(jì)算
產(chǎn)品的取決于產(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(zhǎng)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)防維修時(shí),或者不可修復(fù)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(gè)不同的階段或時(shí)期。*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,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)、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(duì)提產(chǎn)品的具有重要意義。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(zhǎng)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)行度預(yù)計(jì)時(shí),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(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航天器DC/DC變換器的設(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。