基于航天器DC/DC變換器的可靠性設計

　　降額設計

　　因電子產(chǎn)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(shù)對電子產(chǎn)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(shí)施Ⅰ級降額。

　　DC/DC變換器中所用元器件種類(lèi)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(shí)要考慮參數之間的相互影響，即一個(gè)參數作調整時(shí)往往會(huì )帶

　　來(lái)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(mǎn)足降額要求。

　　降額設計要建立在對電路工作狀態(tài)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(jiǎn)單串聯(lián)后并不能完全滿(mǎn)足降額要求。

　　熱設計

　　產(chǎn)品研制經(jīng)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(guò)熱，包括輸出整流管的發(fā)熱，很可能導致失效現象發(fā)生。當溫度超過(guò)一定值時(shí)，失效率呈指數規律增加，當達到極限值時(shí)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(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6，足見(jiàn)熱設計的必要性。電源熱設計的原則有兩個(gè)：一是提高功率變換效率，選用導通壓降小的元器件簡(jiǎn)化電路，減少發(fā)熱源。二是實(shí)施熱轉移和熱平衡措施，防止和杜絕局部發(fā)熱現象。

　　由于衛星所處空間環(huán)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(guò)傳導進(jìn)行散熱，也就是通過(guò)機殼安裝面，將DC/DC變換器產(chǎn)生的熱量經(jīng)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(jìn)行溫控。

　　1 MOSFET熱耗控制

　　MOSFET的熱耗主要來(lái)自導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗兩部分。導通損耗是由于MOSFET的導通電阻產(chǎn)生的，開(kāi)關(guān)損耗是由MOSFET的開(kāi)啟和關(guān)斷特性產(chǎn)生的，而MOSFET的開(kāi)啟和關(guān)斷特性取決于MOSFET的器件參數（如輸入電容）、驅動(dòng)波形、工作頻率、電路寄生參數等因素。

　　開(kāi)關(guān)損耗的控制主要有以下幾點(diǎn)。

　?、籴槍Σ煌腗OSFET設計各自的柵極驅動(dòng)，加速MOSFET的開(kāi)啟和關(guān)斷。另外，通過(guò)驅動(dòng)加速電容，使得驅動(dòng)波形的上升沿時(shí)間縮短。

　?、诰C合考慮設計合理的工作頻率。

　?、弁ㄟ^(guò)變壓器繞制工藝設計，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?jiàn)圖5）。

　　圖5 反激型變壓器的繞制示意

　?、芡ㄟ^(guò)吸收電路的設計，進(jìn)一步控制由于變壓器漏感引起的MOSFET漏源極電壓尖峰。設計原則是吸收電路的自身?yè)p耗較小且盡可能有效地控制電壓尖峰。