基于航天器DC/DC變換器的可靠性設(shè)計(jì)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
一般通過(guò)上述電路設(shè)計(jì)，MOSFET熱耗可以達(dá)到比較理想的結(jié)果。
2變壓器熱耗控制
變壓器熱耗主要來(lái)自磁滯損耗、渦流損耗和電阻損耗。磁滯損耗與變壓器繞組和工作方式有關(guān)，可以由公式（3）表示。渦流損耗是由磁芯內(nèi)環(huán)流造成的；電阻損耗是由變壓器繞組電阻產(chǎn)生的，分直流電阻損耗和集膚效應(yīng)電阻損耗兩種。
Peddy≈khVefSWB2MAX （3）
式中，Kh――材料的磁滯損耗常數(shù)；
Ve――磁芯體積，單位為cm3；
fSW――開(kāi)關(guān)頻率，單位為Hz；
BMAX――工作磁通密度的最大偏移值，單位為G。
對(duì)磁滯損耗的控制設(shè)計(jì)中主要有以下幾點(diǎn)。
?、?設(shè)計(jì)比較合適的工作頻率；
?、?合適的初級(jí)繞組匝數(shù)；
?、?工作磁通密度的最大偏移值的降額設(shè)計(jì)。
在電阻損耗的控制設(shè)計(jì)中，盡量采用多股線替代單根線，從而將變壓器磁芯繞滿。
3 輸出整流電路熱耗控制
輸出整流電路的熱耗主要由整流二極管產(chǎn)生，整流二極管熱耗主要來(lái)自導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗兩部分。對(duì)于導(dǎo)通損耗的控制設(shè)計(jì)主要是根據(jù)輸出電流和工作頻率選擇合適的整流二極管，如快恢復(fù)二極管或肖特基二極管。
對(duì)于開(kāi)關(guān)損耗的控制主要有以下幾點(diǎn)。
?、龠x擇反向恢復(fù)特性好的整流管；
?、谕ㄟ^(guò)吸收電路的設(shè)計(jì)，控制整流管反向電壓尖峰。
產(chǎn)品的可靠性取決于產(chǎn)品的失效率，而失效率隨工作時(shí)間的變化具有不同的特點(diǎn)。根據(jù)長(zhǎng)期以來(lái)的理論研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可發(fā)現(xiàn)，由許多元器件構(gòu)成的機(jī)器、設(shè)備或系統(tǒng)，在不進(jìn)行預(yù)防性維修時(shí)，或者不可修復(fù)的產(chǎn)品，其失效率曲線的典型形態(tài)相似于浴盆的剖面，所以又稱(chēng)為浴盆曲線（Bathtub-curve），如圖6所示。
圖6 失效率浴盆曲線
由圖6可見(jiàn)，失效率明顯地分為三個(gè)不同的階段或時(shí)期。第一段曲線是元件的早期失效期，表明元件在開(kāi)始使用時(shí)的失效率很高，但隨著產(chǎn)品工作時(shí)間的增加，失效率迅速降低，屬于遞減型――DFR（Decreasing Failure Rate）型。其失效原因大多屬于設(shè)計(jì)缺陷、制造工藝缺陷和元器件固有缺陷一類(lèi)。為了縮短早期失效的時(shí)間，產(chǎn)品應(yīng)在投入運(yùn)行之前進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，以便及早發(fā)現(xiàn)、修正和排除缺陷；或通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行篩選和淘汰次品，以便改善其技術(shù)狀態(tài)。
第二階段曲線是元件的偶然（也稱(chēng)隨機(jī)）失效期，特點(diǎn)是失效率低且穩(wěn)定，可近似看做常數(shù)，失效屬于恒定期――CFR（Constant Failure Rate）型。產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)所描述的就是這個(gè)時(shí)期，它是產(chǎn)品的良好使用階段。產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)一般都是在偶然失效期進(jìn)行的。
產(chǎn)品的失效是由多種不太嚴(yán)重的偶然因素引起的，通常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)余度不夠造成隨機(jī)失效。研究這一時(shí)期的失效原因，對(duì)提高產(chǎn)品的可靠性具有重要意義。因?yàn)樵谶@一階段中，產(chǎn)品失效率近似為一個(gè)常數(shù)。
第三段曲線是元件的損耗失效期，失效率隨時(shí)間延長(zhǎng)而急速增加，元件的失效率屬于遞增型――IFR（Increasing failure Rate）型。到了此時(shí)，元件損傷嚴(yán)重或已經(jīng)疲勞，壽命即將結(jié)束。
一般在進(jìn)行可靠度預(yù)計(jì)時(shí)，進(jìn)口元器件失效率數(shù)據(jù)參考MIL-HDBK-217F，國(guó)產(chǎn)元器件失效率數(shù)據(jù)參考GJB/Z 299C。
結(jié)語(yǔ)
本文從選擇合理的電路技術(shù)方案、設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)電路、FMEA及冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等不同角度闡述了提高航天器DC/DC變換器可靠性的設(shè)計(jì)要求。其中尤為重要的思想是，航天器DC/DC變換器可靠性的保證不能僅僅依賴于元器件的固有可靠性，而是上述諸多因素共同作用的結(jié)果。
評(píng)論