基于航天器DC/DC變換器的可靠性設計

　　據美國海軍電子實驗室的統(tǒng)計，整機出現故障的原因和各自的百分比如表1所示。

　　日本的統(tǒng)計資料表明，可靠性問題的80％來源于設計方面（日本把元器件的選型和質量等級的確定以及元器件的負荷能力等都歸入設計上的原因）。國產星用DC/DC變換器雖然在軌試驗中尚未出現失效現象的歷史記錄，但在地面試驗中，已經有過不少的故障歸零報告，基本上屬于設計缺陷。

　　以上統(tǒng)計數據表明，控制和減少由于技術方案選擇、電路拓撲設計以及元器件使用設計原因所造成的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，對整個供電系統(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)點是DC/DC變換器數量少，有利于控制和減少電源的體積和重量，同時簡化了一次電源到DC/DC變換器之間的重復布線。缺點是電源的多負載，很難保證電源的輸出伏安特性滿足每個負載的要求。

　　分布式供電系統(tǒng)的優(yōu)點是DC/DC變換器靠近供電負載，在減小傳輸損耗的同時提高了動態(tài)響應特性，這是解決低壓大電流（如2V/20A）問題的必須和唯一技術途徑。這種供電方式的基本特征是將負載功率或負載特性分解，分擔給多個電源模塊來承擔。

　　從可靠性模型上來說，分布式供電系統(tǒng)的多個DC/DC變換器屬于可靠性并聯系統(tǒng)，容易組成N+1冗余供電，擴展功率也相對容易。所以，采用分布式供電系統(tǒng)，能夠滿足航天電源產品的可靠性方案設計要求。目前，國產衛(wèi)星DC/DC變換器拓撲結構，基本上實現了從分系統(tǒng)共用一個結構模塊電源的集中供電方式，過渡到采用通用化、模塊化、小型化的“三化”電源產品的分布式供電。

　　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提高DC/DC變換器供電系統(tǒng)的可靠性具有至關重要的意義。

　　電路拓撲的選擇與設計

　　可供衛(wèi)星DC/DC變換器功率變換選用的基本電路拓撲有8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種拓撲功率開關管在關閉時要承受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，功率開關管的耐壓值，需要達到輸入額定電壓的4倍以上。例如，當輸入母線電壓+42V時，功率管的漏源電壓應該為200V。

　　推挽和全橋拓撲有可能出現單向磁偏飽和現象，主要是兩路功率開關輪流導通時不完全對稱，使充磁和退磁的兩個伏秒面積不等而造成的。一旦出現該現象，一只功率管會首先損壞。近年來，在國外對推挽拓撲的單向磁偏所進行的專題研究中，發(fā)現功率開關采用性能參數一致性好的MOSFET，就可以消除單向磁偏飽和現象。原因是MOSFET的導通損耗具有正溫度特性，可實現自動溫度平衡的功能，將自動維持兩管伏秒面積的等值性。這些結論，我們已經在多顆衛(wèi)星DC/DC變換器試驗中得到了驗證，應該說只要實施有效的可靠性技術措施，推挽拓撲的大電流、高效率、高可靠優(yōu)勢會充份地發(fā)揮出來。

　　理論分析和實踐結果表明，半橋拓撲具有自動抗不平衡的能力。一般認為，500W以下，雙管正激和半橋拓撲具有較高的安全性和可靠性。

　　單端反激拓撲不適用于負載電流大范圍變化的情況，空載時的輸出電壓也會明顯增高。目前，國內外廣泛采用外接電阻負載克服空載失控現象，但這會降低電源效率。由于電源輸出功率與外接電阻值成反比關系，因此，單端反激拓撲只適用于輸出功率較小的場合。

　　失效模式及影響分析（FMEA）

　　失效模式及影響分析是指，在產品設計過程中，對組成產品的所有部件、元器件可能發(fā)生的故障造成的影響進行分析，并規(guī)劃糾正措施。

　　元器件的故障模式參照GJB電子設備可靠性預計手冊。分析中不考慮無關的雙重故障，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)不允許單點故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設計。但不是說考慮了備份冗余以后，進行FMEA的結果就不存在單點故障。因為，往往表面上看不是單點故障的失效模式，深入分析后就會發(fā)現由于共陰模式的存在而導致單點失效。