航天器DC/DC变换器的可靠性设计

卫星用DC/DC变换器的高可靠和长寿命，是确保其完成飞行使命的基本条件之一。但人们对DC/DC变换器可靠性的认识通常集中在元器件固有质量或产品组装工艺缺陷方面，往往忽略了系统设计（包括技术方案和电路拓扑设计、输入/输出接口设计、环境试验条件适应性设计等）缺陷和电压、电流和温度应力对可靠性的影响。
据美国海军电子实验室的统计，整机出现故障的原因和各自的百分比如表1所示。

日本的统计资料表明，可靠性问题的80％来源于设计方面（日本把元器件的选型和质量等级的确定以及元器件的负荷能力等都归入设计上的原因）。国产星用DC/DC变换器虽然在轨试验中尚未出现失效现象的历史记录，但在地面试验中，已经有过不少的故障归零报告，基本上属于设计缺陷。
以上统计数据表明，控制和减少由于技术方案选择、电路拓扑设计以及元器件使用设计原因所造成的DC/DC变换器故障，具有重要意义。
DC/DC变换器供电方式的选择
DC/DC变换器供电方式的不同，对整个供电系统的可靠性有重大影响。卫星用DC/DC变换器的配电系统一般有两种方式：集中式供电和分布式供电。
集中式供电的优点是DC/DC变换器数量少，有利于控制和减少电源的体积和重量，同时简化了一次电源到DC/DC变换器之间的重复布线。缺点是电源的多负载，很难保证电源的输出伏安特性满足每个负载的要求。
分布式供电系统的优点是DC/DC变换器靠近供电负载，在减小传输损耗的同时提高了动态响应特性，这是解决低压大电流（如2V/20A）问题的必须和唯一技术途径。这种供电方式的基本特征是将负载功率或负载特性分解，分担给多个电源模块来承担。
从可靠性模型上来说，分布式供电系统的多个DC/DC变换器属于可靠性并联系统，容易组成N+1冗余供电，扩展功率也相对容易。所以，采用分布式供电系统，能够满足航天电源产品的可靠性方案设计要求。目前，国产卫星DC/DC变换器拓扑结构，基本上实现了从分系统共用一个结构模块电源的集中供电方式，过渡到采用通用化、模块化、小型化的“三化”电源产品的分布式供电。
因此综合考虑用电系统的具体需求，选择合理的供电方式对提高DC/DC变换器供电系统的可靠性具有至关重要的意义。
电路拓扑的选择与设计
可供卫星DC/DC变换器功率变换选用的基本电路拓扑有8种，分别是单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式、双正激式、双管正激式、半桥式、全桥式。
前6种拓扑功率开关管在关闭时要承受2倍输入电压。考虑到输入电压的变化范围和电磁干扰电压峰值，并要留有一定的安全余度，功率开关管的耐压值，需要达到输入额定电压的4倍以上。例如，当输入母线电压+42V时，功率管的漏源电压应该为200V。
推挽和全桥拓扑有可能出现单向磁偏饱和现象，主要是两路功率开关轮流导通时不完全对称，使充磁和退磁的两个伏秒面积不等而造成的。一旦出现该现象，一只功率管会首先损坏。近年来，在国外对推挽拓扑的单向磁偏所进行的专题研究中，发现功率开关采用性能参数一致性好的MOSFET，就可以消除单向磁偏饱和现象。原因是MOSFET的导通损耗具有正温度特性，可实现自动温度平衡的功能，将自动维持两管伏秒面积的等值性。这些结论，我们已经在多颗卫星DC/DC变换器试验中得到了验证，应该说只要实施有效的可靠性技术措施，推挽拓扑的大电流、高效率、高可靠优势会充份地发挥出来。
理论分析和实践结果表明，半桥拓扑具有自动抗不平衡的能力。一般认为，500W以下，双管正激和半桥拓扑具有较高的安全性和可靠性。
单端反激拓扑不适用于负载电流大范围变化的情况，空载时的输出电压也会明显增高。目前，国内外广泛采用外接电阻负载克服空载失控现象，但这会降低电源效率。由于电源输出功率与外接电阻值成反比关系，因此，单端反激拓扑只适用于输出功率较小的场合。
失效模式及影响分析（FMEA）
失效模式及影响分析是指，在产品设计过程中，对组成产品的所有部件、元器件可能发生的故障造成的影响进行分析，并规划纠正措施。
元器件的故障模式参照GJB电子设备可靠性预计手册。分析中不考虑无关的双重故障，但考虑单一故障引起的连锁影响，即二次故障。
由于航天器DC/DC变换器的高可靠要求，供电系统不允许单点故障的存在，因此一般要考虑备份冗余设计。但不是说考虑了备份冗余以后，进行FMEA的结果就不存在单点故障。因为，往往表面上看不是单点故障的失效模式，深入分析后就会发现由于共阴模式的存在而导致单点失效。
例如，某DC/DC变换器主要功能电路如图1所示。

图1  DC/DC变换器电路框图

按照图1所示的DC/DC变换器电路原理框图，建立相应的可靠性计算模型（见图2）。