航天器DC/DC变换器的可靠性设计

图2  DC/DC变换器可靠性框图

其中，λ1、R1为输入滤波电路的失效率、可靠度；λ2、R2为主电路的失效率、可靠度；λ3、R3为输出滤波电路的失效率、可靠度。可靠性模型中的主电路内部各功能电路为串联结构。
根据图2所示可以计算其可靠度。
RS=R1·R2·R3            （1）
其可靠度计算结果为（45℃，3年）：0.993 14。
如果对上述DC/DC变换器进行备份冗余设计后，其电路如图3所示。

图3  备份冗余后DC/DC变换器电路框图

按照图3建立相应的可靠性计算模型图（见图4）。

图4 冗余设计后的DC/DC变换器可靠性框图

其中，λ1、R1为输入滤波电路的失效率、可靠度；λ2、R2为主备份电路的失效率、可靠度；λ3、R3为输出滤波电路的失效率、可靠度。可靠性模型中的主电路内部各功能电路为串联结构。
根据图4所示，可以计算其可靠度。
RS=R1·[1-2(1-R2)]·R3   （2）
计算结果为（45℃，3年）：0.999 65。
可见，进行备份冗余设计后，DC/DC变换器的可靠度可以大大提高。
降额设计
因电子产品的可靠性对电应力和温度应力较敏感，故而降额设计技术对电子产品则显得尤为重要，成为可靠性设计中必不可少的组成部分。按照GJBZ35-93的要求，航天器所用元器件的所有参数必须实施Ⅰ级降额。
DC/DC变换器中所用元器件种类较多，有阻容器件、大功率半导体器件、电感器件、继电器、保险丝等，针对不同器件要分析需要降额的所有参数，且要综合考虑。而且，对同一器件不同参数做降额时要考虑参数之间的相互影响，即一个参数作调整时往往会带
来其他工作参数的变化。对半导体器件，即使是各参数均降额了，最终还要归结到结温是否满足降额要求。
降额设计要建立在对电路工作状态认真分析的基础上，确认达到预期效果。例如，对电容器额定电压的降额，由于器件特性的差异（如漏电流、RSE等)，简单串联后并不能完全满足降额要求。
热设计
产品研制经验告诉我们，热应力对电源可靠性的影响往往不亚于电应力。电源内部功率器件的局部过热，包括输出整流管的发热，很可能导致失效现象发生。当温度超过一定值时，失效率呈指数规律增加，当达到极限值时将导致元器件失效。国外统计资料指出，温度每升高2℃，电子元器件的可靠性下降10％，器件温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6，足见热设计的必要性。电源热设计的原则有两个：一是提高功率变换效率，选用导通压降小的元器件简化电路，减少发热源。二是实施热转移和热平衡措施，防止和杜绝局部发热现象。
由于卫星所处空间环境的影响，散热方式只有辐射和传导，且由于安装位置的影响，DC/DC变换器一般主要通过传导进行散热，也就是通过机壳安装面，将DC/DC变换器产生的热量经设备结构传导到设备壳体，再由设备安装面传导到卫星壳体，由整星进行温控。
1 MOSFET热耗控制
MOSFET的热耗主要来自导通损耗、开关损耗两部分。导通损耗是由于MOSFET的导通电阻产生的，开关损耗是由MOSFET的开启和关断特性产生的，而MOSFET的开启和关断特性取决于MOSFET的器件参数（如输入电容）、驱动波形、工作频率、电路寄生参数等因素。
开关损耗的控制主要有以下几点。
①针对不同的MOSFET设计各自的栅极驱动，加速MOSFET的开启和关断。另外，通过驱动加速电容，使得驱动波形的上升沿时间缩短。
②综合考虑设计合理的工作频率。
③通过变压器绕制工艺设计，控制变压器的漏感，进而减小MOSFET的漏源极电压尖峰。如反激型变压器设计就采用“三明治”式绕法，即初级绕组先绕一半，再绕次级绕组，绕后再将初级绕组剩余的匝数绕完，最后将次级绕组包裹在里面，这样漏感最小（见图5）。

图5  反激型变压器的绕制示意

④通过吸收电路的设计，进一步控制由于变压器漏感引起的MOSFET漏源极电压尖峰。设计原则是吸收电路的自身损耗较小且尽可能有效地控制电压尖峰。
一般通过上述电路设计，MOSFET热耗可以达到比较理想的结果。
2变压器热耗控制
变压器热耗主要来自磁滞损耗、涡流损耗和电阻损耗。磁滞损耗与变压器绕组和工作方式有关，可以由公式（3）表示。涡流损耗是由磁芯内环流造成的；电阻损耗是由变压器绕组电阻产生的，分直流电阻损耗和集肤效应电阻损耗两种。
Peddy≈khVefSWB2MAX        （3）
式中，Kh——材料的磁滞损耗常数；
Ve——磁芯体积，单位为cm3；
fSW——开关频率，单位为Hz；
BMAX——工作磁通密度的最大偏移值，单位为G。
对磁滞损耗的控制设计中主要有以下几点。
① 设计比较合适的工作频率；
② 合适的初级绕组匝数；
③ 工作磁通密度的最大偏移值的降额设计。
在电阻损耗的控制设计中，尽量采用多股线替代单根线，从而将变压器磁芯绕满。