基于航天器DC/DC變換器的可靠性設(shè)計(jì)

　　降額設(shè)計(jì)

　　因電子產(chǎn)品的可靠性對(duì)電應(yīng)力和溫度應(yīng)力較敏感，故而降額設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品則顯得尤為重要，成為可靠性設(shè)計(jì)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(shù)必須實(shí)施Ⅰ級(jí)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所有參數(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，最終還要?dú)w結(jié)到結(jié)溫是否滿足降額要求。

　　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，由于器件特性的差異（如漏電流、RSE等)，簡(jiǎn)單串聯(lián)后并不能完全滿足降額要求。

　　熱設(shè)計(jì)

　　產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn)告訴我們，熱應(yīng)力對(duì)電源可靠性的影響往往不亞于電應(yīng)力。電源內(nèi)部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)溫度超過一定值時(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加，當(dāng)達(dá)到極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效。國(guó)外統(tǒng)計(jì)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，足見熱設(shè)計(jì)的必要性。電源熱設(shè)計(jì)的原則有兩個(gè)：一是提高功率變換效率，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熱耗控制

　　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)斷特性產(chǎn)生的，而MOSFET的開啟和關(guān)斷特性取決于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)損耗的控制主要有以下幾點(diǎn)。

　?、籴槍?duì)不同的MOSFET設(shè)計(jì)各自的柵極驅(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。

　?、诰C合考慮設(shè)計(jì)合理的工作頻率。

　?、弁ㄟ^變壓器繞制工藝設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)就采用“三明治”式繞法，即初級(jí)繞組先繞一半，再繞次級(jí)繞組，繞后再將初級(jí)繞組剩余的匝數(shù)繞完，最后將次級(jí)繞組包裹在里面，這樣漏感最?。ㄒ妶D5）。

　　圖5 反激型變壓器的繞制示意

　?、芡ㄟ^吸收電路的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)原則是吸收電路的自身損耗較小且盡可能有效地控制電壓尖峰。