基于航天器DC/DC變換器的可靠性設計

　　據美國海軍電子實(shí)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(wèn)題的80％來(lái)源于設計方面（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失效現象的歷史記錄，但在地面試驗中，已經(jīng)有過(guò)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(shù)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(gè)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(yōu)點(diǎn)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(shí)簡(jiǎn)化了一次電源到DC/DC變換器之間的重復布線(xiàn)。缺點(diǎn)是電源的多負載，很難保證電源的輸出伏安特性滿(mǎn)足每個(gè)負載的要求。

　　分布式供電系統的優(yōu)點(diǎn)是DC/DC變換器靠近供電負載，在減小傳輸損耗的同時(shí)提高了動(dòng)態(tài)響應特性，這是解決低壓大電流（如2V/20A）問(wèn)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，分擔給多個(gè)電源模塊來(lái)承擔。

　　從可靠性模型上來(lái)說(shuō)，分布式供電系統的多個(gè)DC/DC變換器屬于可靠性并聯(lián)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(mǎn)足航天電源產(chǎn)品的可靠性方案設計要求。目前，國產(chǎn)衛星DC/DC變換器拓撲結構，基本上實(shí)現了從分系統共用一個(gè)結構模塊電源的集中供電方式，過(guò)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(guān)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(kāi)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(kāi)關(guān)管的耐壓值，需要達到輸入額定電壓的4倍以上。例如，當輸入母線(xiàn)電壓+42V時(shí)，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(kāi)關(guān)輪流導通時(shí)不完全對稱(chēng)，使充磁和退磁的兩個(gè)伏秒面積不等而造成的。一旦出現該現象，一只功率管會(huì )首先損壞。近年來(lái)，在國外對推挽拓撲的單向磁偏所進(jìn)行的專(zhuān)題研究中，發(fā)現功率開(kāi)關(guān)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(shí)現自動(dòng)溫度平衡的功能，將自動(dòng)維持兩管伏秒面積的等值性。這些結論，我們已經(jīng)在多顆衛星DC/DC變換器試驗中得到了驗證，應該說(shuō)只要實(shí)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?jì)?yōu)勢會(huì )充份地發(fā)揮出來(lái)。

　　理論分析和實(shí)踐結果表明，半橋拓撲具有自動(dòng)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(shí)的輸出電壓也會(huì )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(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，單端反激拓撲只適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)品設計過(guò)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(wú)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，供電系統不允許單點(diǎn)故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設計。但不是說(shuō)考慮了備份冗余以后，進(jìn)行FMEA的結果就不存在單點(diǎn)故障。因為，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)現由于共陰模式的存在而導致單點(diǎn)失效。