如何利用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)航天器的應(yīng)用設(shè)計(jì)？

DC/DC變換器隨著技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步，與變換器相關(guān)的技術(shù)也在不斷發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展也在一定程度上影響著變換器的發(fā)展。

例如在上個(gè)世紀(jì)得到發(fā)展的功率開(kāi)關(guān)器件，功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展在一定程度上也影響著變換器的發(fā)展。

01. 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

開(kāi)關(guān)的一大發(fā)展方向就是高頻化，高頻的開(kāi)關(guān)在日常生活中的使用越來(lái)越頻繁。

開(kāi)關(guān)頻率的變高使得電路受到電磁的干擾更強(qiáng)，干擾的增強(qiáng)在一定程度上也影響著電路控制和電路驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定程度。

所以在高頻化的同時(shí)也要努力減少開(kāi)關(guān)造成的損耗，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。

軟開(kāi)關(guān)變換器在出現(xiàn)后也經(jīng)歷了一系列的發(fā)展，在軟開(kāi)關(guān)變換器發(fā)展到現(xiàn)在，軟開(kāi)關(guān)變換器的性能依然依賴于變換器用到的開(kāi)關(guān)器件。

電容比較大并且開(kāi)關(guān)頻率比較高的情況下往往會(huì)產(chǎn)生大量的開(kāi)關(guān)損耗，在這種情況下我們可以使用零電壓的開(kāi)通方式避免大量損耗。

DC/DC變換器使用不同的器件可以獲得不同的性能，同一個(gè)電路使用不同器件的情況下性能也是不同的。

所以在選擇器件的同時(shí)要結(jié)合各個(gè)方面的因素，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

02. 同步整流

同步整流技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)出現(xiàn)，隨著科技、通信和計(jì)算機(jī)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品中所需要的器件和功耗也在不斷增加。

使用低壓高電流的變換器，在高頻時(shí)器件的損耗很大，同步整流技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了損耗高的問(wèn)題，降低了開(kāi)關(guān)的損耗。

同步整流是為了在電路中滿足低壓高電流的要求，在這一要求下通常我們使用MOSFET的門極控制電壓和漏極電壓同步，從而達(dá)到低電壓大電流的需求。

同步整流技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了ZVS和ZCS這兩種方式，這進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)的損耗，并且在這方面也有了很大的進(jìn)步。

其中數(shù)字技術(shù)和同步整流技術(shù)相結(jié)合，并且也開(kāi)發(fā)出了適用于對(duì)稱拓?fù)涞耐秸麟娐?，并且使用?fù)合拓?fù)涞那闆r下使得同步整流的效果更好。

隨著CMOS器件的普及，許多印制電路板需要+5V和12V或+24V等規(guī)格的直流電壓，這意味著單機(jī)需要一個(gè)比較集中的電源以滿足工作要求。CMOS器件的特點(diǎn)是僅在開(kāi)關(guān)瞬間需要較大的功率，因此就近放置一個(gè)電源比用一個(gè)低電壓集中電源長(zhǎng)距離供電，可以降低配線電感和電阻所引起的壓降，而分散供電的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)正可以滿足這一設(shè)計(jì)要求。

分散供電設(shè)計(jì)總的原則簡(jiǎn)單明了，但是當(dāng)電源從集中移到各應(yīng)用點(diǎn)的時(shí)候，從變換器本身產(chǎn)生的傳導(dǎo)和反射紋波需要測(cè)量和控制，系統(tǒng)各單機(jī)電磁兼容性問(wèn)題在設(shè)計(jì)中也必須解決。

目前，DC/DC變換器在衛(wèi)星等航天工程項(xiàng)目電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的使用已經(jīng)非常普遍，其可以不受輸入電壓和負(fù)載波動(dòng)的影響而提供穩(wěn)定的輸出電壓。同時(shí)，DC/DC變換器在變換過(guò)程中使用了變壓器進(jìn)行電隔離，可以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受隔離故障的影響。

本文所述電路就是基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種用于航天器的二次電源系統(tǒng)。

電路設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)確定的工程系統(tǒng)，如果其電路中包含CMOS器件、運(yùn)算放大器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等部分，則+5V、12V和+24V電源一般來(lái)說(shuō)是必須的。本設(shè)計(jì)基于INTERPOINT公司生產(chǎn)的DC/DC變換器和濾波器(見(jiàn)圖1)。

開(kāi)關(guān)電源變換器是窄帶頻譜輸入噪聲電流的天然發(fā)生器，具有開(kāi)關(guān)頻率基波分量及其高次諧波分量。大部分INTERPOINT電源變換器內(nèi)部都具有一級(jí)LC 輸入線濾波器，將噪聲成分減低到1mA RMS左右或更小。但是，在要求更小的噪聲電流或者要求滿足GJB151.3-86或其他EMI規(guī)范時(shí)，還需要附加外部電源線濾波器。只要不超過(guò)濾波器的額定線電流和布局不受限制，多個(gè)電源變換器可以共用一個(gè)濾波器。圖1所示電路中的DC/DC變換器分別為MSA2805S和MSA2812D，三個(gè)DC/DC變換器共用一個(gè)FMH461濾波器。

圖1中，L1*A、L1*B和L1*C為一個(gè)三繞組電感，L2*A、L2*B和L3*A、L3*B分別為兩繞組電感。FUSE1和FUSE2為保險(xiǎn)絲。

1 電源輸入電路分析

在一次電源輸入的+28V線上，增加了兩個(gè)保險(xiǎn)絲作為短路保護(hù)元件，在保證降額設(shè)計(jì)(如50%余量)的要求下，其熔值可視二次電源負(fù)載而定，如3A或5A。其中一個(gè)保險(xiǎn)絲和電阻1R3串聯(lián)，1R3阻值取0.15Ω，則兩個(gè)保險(xiǎn)絲為冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)負(fù)載異常而導(dǎo)致瞬間電流過(guò)大時(shí)，由于電流是從FUSE1保險(xiǎn)絲流過(guò)，故FUSE1熔斷。異常情況消失后，F(xiàn)USE2仍然可以保證系統(tǒng)的正常工作。

2 電源輸出電路分析

為了得到+5V、12V和+24V電源，電路中選用了MSA2805S和MSA2812D兩種DC/DC變換器。在獲取需要電源的同時(shí)，還需要注意噪聲的濾除。

共模噪聲主要是因?yàn)殡姼欣@組間存在電容、電源器件內(nèi)部存在寄生電容等原因而產(chǎn)生的。

各DC/DC變換器的輸入回線上分別加旁路電容到DC/DC變換器外殼地，以濾除共模噪聲。輸入旁路電容可將機(jī)殼上的共模電流引回到輸入回線上，減小輻射。

各DC/DC變換器的電源輸出端，分別加了電感、旁路電容和極間電容，以濾除輸出線對(duì)上的差模噪聲和共模噪聲。各電感的繞組的匝數(shù)和漏感分別相等，磁環(huán)為鐵氧體軟磁性材料。

3 電磁兼容性分析

+28V輸入電源和DC/DC變換器之間通過(guò)FMH-461隔離，F(xiàn)MH-461是INTERPOINT公司生產(chǎn)的電磁干擾(EMI)濾波器，可以減小DC/DC變換器產(chǎn)生的高頻反射紋波電流對(duì)公用輸入母線+28V電源線的干擾，對(duì)電源線傳導(dǎo)發(fā)射和電場(chǎng)輻射發(fā)射有效。同時(shí)，為減小電磁干擾，濾波器的外殼地必須與DC/DC變換器的外殼地低阻導(dǎo)通。圖1所示電路中，直接將DC/DC變換器和濾波器的外殼短接。

衛(wèi)星用DC/DC變換器的高可靠和長(zhǎng)壽命，是確保其完成飛行使命的基本條件之一。但人們對(duì)DC/DC變換器可靠性的認(rèn)識(shí)通常集中在元器件固有質(zhì)量或產(chǎn)品組裝工藝缺陷方面，往往忽略了系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包括技術(shù)方案和電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)、輸入/輸出接口設(shè)計(jì)、環(huán)境試驗(yàn)條件適應(yīng)性設(shè)計(jì)等)缺陷和電壓、電流和溫度應(yīng)力對(duì)可靠性的影響。

據(jù)美國(guó)海軍、電子實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，整機(jī)出現(xiàn)故障的原因和各自的百分比如表1所示。

日本的統(tǒng)計(jì)資料表明，可靠性問(wèn)題的80%來(lái)源于設(shè)計(jì)方面(日本把元器件的選型和質(zhì)量等級(jí)的確定以及元器件的負(fù)荷能力等都?xì)w入設(shè)計(jì)上的原因)。國(guó)產(chǎn)星用DC/DC變換器雖然在軌試驗(yàn)中尚未出現(xiàn)失效現(xiàn)象的歷史記錄，但在地面試驗(yàn)中，已經(jīng)有過(guò)不少的故障歸零報(bào)告，基本上屬于設(shè)計(jì)缺陷。

以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，控制和減少由于技術(shù)方案選擇、電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)以及元器件使用設(shè)計(jì)原因所造成的DC/DC變換器故障，具有重要意義。

DC/DC變換器供電方式的選擇

DC/DC變換器供電方式的不同，對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性有重大影響。衛(wèi)星用DC/DC變換器的配電系統(tǒng)一般有兩種方式：集中式供電和分布式供電。

集中式供電的優(yōu)點(diǎn)是DC/DC變換器數(shù)量少，有利于控制和減少電源的體積和重量，同時(shí)簡(jiǎn)化了一次電源到DC/DC變換器之間的重復(fù)布線。缺點(diǎn)是電源的多負(fù)載，很難保證電源的輸出伏安特性滿足每個(gè)負(fù)載的要求。

分布式供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是DC/DC變換器靠近供電負(fù)載，在減小傳輸損耗的同時(shí)提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，這是解決低壓大電流(如2V/20A)問(wèn)題的必須和唯一技術(shù)途徑。這種供電方式的基本特征是將負(fù)載功率或負(fù)載特性分解，分擔(dān)給多個(gè)、電源模塊來(lái)承擔(dān)。

從可靠性模型上來(lái)說(shuō)，分布式供電系統(tǒng)的多個(gè)DC/DC變換器屬于可靠性并聯(lián)系統(tǒng)，容易組成N+1冗余供電，擴(kuò)展功率也相對(duì)容易。所以，采用分布式供電系統(tǒng)，能夠滿足航天電源產(chǎn)品的可靠性方案設(shè)計(jì)要求。目前，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本上實(shí)現(xiàn)了從分系統(tǒng)共用一個(gè)結(jié)構(gòu)模塊電源的集中供電方式，過(guò)渡到采用通用化、模塊化、小型化的“三化”電源產(chǎn)品的分布式供電。

因此綜合考慮用電系統(tǒng)的具體需求，選擇合理的供電方式對(duì)提高DC/DC變換器供電系統(tǒng)的可靠性具有至關(guān)重要的意義。

電路拓?fù)涞倪x擇與設(shè)計(jì)

可供衛(wèi)星DC/DC變換器功率變換選用的基本電路拓?fù)溆?種，分別是單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式、雙正激式、雙管正激式、半橋式、全橋式。

前6種拓?fù)涔β书_(kāi)關(guān)管在關(guān)閉時(shí)要承受2倍輸入電壓?？紤]到輸入電壓的變化范圍和電磁干擾電壓峰值，并要留有一定的安全余度，功率開(kāi)關(guān)管的耐壓值，需要達(dá)到輸入額定電壓的4倍以上。例如，當(dāng)輸入母線電壓+42V時(shí)，功率管的漏源電壓應(yīng)該為200V。

推挽和全橋拓?fù)溆锌赡艹霈F(xiàn)單向磁偏飽和現(xiàn)象，主要是兩路功率開(kāi)關(guān)輪流導(dǎo)通時(shí)不完全對(duì)稱，使充磁和退磁的兩個(gè)伏秒面積不等而造成的。一旦出現(xiàn)該現(xiàn)象，一只功率管會(huì)首先損壞。近年來(lái)，在國(guó)外對(duì)推挽拓?fù)涞膯蜗虼牌M(jìn)行的專題研究中，發(fā)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)采用性能參數(shù)一致性好的MOSFET，就可以消除單向磁偏飽和現(xiàn)象。原因是MOSFET的導(dǎo)通損耗具有正溫度特性，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度平衡的功能，將自動(dòng)維持兩管伏秒面積的等值性。這些結(jié)論，我們已經(jīng)在多顆衛(wèi)星DC/DC變換器試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，應(yīng)該說(shuō)只要實(shí)施有效的可靠性技術(shù)措施，推挽拓?fù)涞拇箅娏?、高效率、高可靠?jī)?yōu)勢(shì)會(huì)充份地發(fā)揮出來(lái)。

理論分析和實(shí)踐結(jié)果表明，半橋拓?fù)渚哂凶詣?dòng)抗不平衡的能力。一般認(rèn)為，500W以下，雙管正激和半橋拓?fù)渚哂休^高的安全性和可靠性。

單端反激拓?fù)洳贿m用于負(fù)載電流大范圍變化的情況，空載時(shí)的輸出電壓也會(huì)明顯增高。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用外接電阻負(fù)載克服空載失控現(xiàn)象，但這會(huì)降低電源效率。由于電源輸出功率與外接電阻值成反比關(guān)系，因此，單端反激拓?fù)渲贿m用于輸出功率較小的場(chǎng)合。

失效模式及影響分析(FMEA)

失效模式及影響分析是指，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)組成產(chǎn)品的所有部件、元器件可能發(fā)生的故障造成的影響進(jìn)行分析，并規(guī)劃糾正措施。

元器件的故障模式參照GJB電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)。分析中不考慮無(wú)關(guān)的雙重故障，但考慮單一故障引起的連鎖影響，即二次故障。

由于航天器DC/DC變換器的高可靠要求，供電系統(tǒng)不允許單點(diǎn)故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設(shè)計(jì)。但不是說(shuō)考慮了備份冗余以后，進(jìn)行FMEA的結(jié)果就不存在單點(diǎn)故障。因?yàn)?，往往表面上看不是單點(diǎn)故障的失效模式，深入分析后就會(huì)發(fā)現(xiàn)由于共陰模式的存在而導(dǎo)致單點(diǎn)失效。