【導(dǎo)讀】要想開(kāi)發(fā)能夠在太空中可靠運(yùn)行的衛(wèi)星電力電子系統(tǒng)，工程師們需要克服多方面的挑戰(zhàn)。沒(méi)有了地球磁場(chǎng)，衛(wèi)星很難使高能粒子偏轉(zhuǎn)。此外，沒(méi)有地球大氣層屏障的保護(hù)，空間系統(tǒng)會(huì)暴露在更大強(qiáng)度的波輻射及粒子輻射中，最終導(dǎo)致組件甚至整個(gè)系統(tǒng)故障。另一個(gè)問(wèn)題是散熱，因?yàn)閷?duì)流散熱在太空中不管用，所以只能通過(guò)將熱量傳導(dǎo)至表面后輻射散掉。
雖然半導(dǎo)體器件的選擇是為太空應(yīng)用開(kāi)發(fā)耐輻射電源系統(tǒng)的核心，但它只是可部署在組件和電路層面的眾多設(shè)計(jì)策略之一。本文將討論在耐輻射電源系統(tǒng)中采用軟開(kāi)關(guān)的基本策略及多種優(yōu)勢(shì)。
要想開(kāi)發(fā)能夠在太空中可靠運(yùn)行的衛(wèi)星電力電子系統(tǒng)，工程師們需要克服多方面的挑戰(zhàn)。沒(méi)有了地球磁場(chǎng)，衛(wèi)星很難使高能粒子偏轉(zhuǎn)。此外，沒(méi)有地球大氣層屏障的保護(hù)，空間系統(tǒng)會(huì)暴露在更大強(qiáng)度的波輻射及粒子輻射中，最終導(dǎo)致組件甚至整個(gè)系統(tǒng)故障。另一個(gè)問(wèn)題是散熱，因?yàn)閷?duì)流散熱在太空中不管用，所以只能通過(guò)將熱量傳導(dǎo)至表面后輻射散掉。
在此背景下，所謂的新太空應(yīng)用通過(guò)一些手段，例如降低總電離輻射劑量暴露標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)表明它們能夠采用 “耐輻射”組件，而不需要更堅(jiān)固的抗輻射“加固”電路。然而，輻射損壞是累積的，因此任務(wù)時(shí)間長(zhǎng)短是決定所受的輻射強(qiáng)度的一個(gè)因素，衛(wèi)星的軌道位置也會(huì)有影響。
減輕粒子輻射的影響
波輻射包括射線和電磁波。一般來(lái)說(shuō)，波輻射的屬性與光的屬性相似，包括反射、吸收、折射和傳播。然而，太空中的輻射波長(zhǎng)可延伸到可見(jiàn)光光譜的上方和下方。能見(jiàn)度以下的輻射包括微波和射頻（RF），能見(jiàn)度以上的輻射包括紫外線、X 射線和伽馬射線。在圖1中，注意波長(zhǎng)和相關(guān)能量，這是測(cè)量輻射暴露的關(guān)鍵參數(shù)。
圖 1：這張圖展示了輻射光譜。
波輻射和粒子輻射實(shí)際上并不是兩個(gè)獨(dú)立的東西，但它們對(duì)電子系統(tǒng)的影響有所不同。單個(gè)粒子的質(zhì)量很小，但可以加速到很高的速度。此外，它們還可以攜帶電荷，當(dāng)負(fù)電荷電子從原子軌道剝離時(shí)，通常為正電荷。
通過(guò)粒子輻射，我們可以看到物理?yè)p壞，特別是對(duì)半導(dǎo)體晶體晶格的損壞。這種損壞是永久性和/或累積性的。在電子被拖入損耗區(qū)，使非導(dǎo)電區(qū)導(dǎo)電的地方，會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性的破壞。正離子取代晶體基質(zhì)中的摻雜原子時(shí)，也會(huì)造成故障，有時(shí)會(huì)使半導(dǎo)體在錯(cuò)誤的時(shí)間或地方導(dǎo)電，最終造成設(shè)備的永久性損壞。
太空真空中的另一個(gè)影響因素是，我們用于在地面散熱的有效對(duì)流不起作用。傳導(dǎo)的作用是傳播熱能，但多余的熱量最終必須輻射到寒冷的太空中。一個(gè)復(fù)雜的因素是，暴露在陽(yáng)光下的表面溫度會(huì)變得非常高，大約為 250?F (120?C)，而陰影覆蓋的表面則非常冷，大約為 -238?F (-150?C)。
構(gòu)建堅(jiān)固的耐輻射電源電子元器件
即使在當(dāng)前快節(jié)奏的新太空商業(yè)環(huán)境中，發(fā)射和更換報(bào)廢衛(wèi)星的成本也非常高昂，因此謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)尤為重要。
怎么實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)？答案不止一個(gè)，創(chuàng)建堅(jiān)固的航空電子系統(tǒng)的解決方案是多方面的。
首先，選擇具有耐輻射性的組件。一些業(yè)界一流的半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)提高了耐輻射性。雙極性半導(dǎo)體可根據(jù)其位移損壞等級(jí)進(jìn)行選擇?？梢赃x擇本來(lái)就耐輻射的寬帶隙（氮化鎵，GaN）FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。有些部件根本不適合在太空環(huán)境中使用，如某些環(huán)氧樹(shù)脂和鋁電解質(zhì)電容器，它們會(huì)在真空中釋放氣體。
物理冗余也很重要，確保一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以讓另一個(gè)系統(tǒng)來(lái)接管。在一些系統(tǒng)中，有三個(gè)系統(tǒng)并行運(yùn)行。如果其中一個(gè)與另外兩個(gè)不一致，其輸出可以忽略。有時(shí)提供有四個(gè)冗余系統(tǒng)，如果一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可換用一個(gè)備用系統(tǒng)。即使有了這些保障，耐輻射設(shè)計(jì)要求也會(huì)限制組件的選擇。性能監(jiān)視器、安全保護(hù)機(jī)制、電源斷開(kāi)和復(fù)位電路的增加不能導(dǎo)致最終解決方案的效率、尺寸和重量超出要求。
拓?fù)溥x擇和開(kāi)關(guān)模式的影響
通過(guò)選擇合適的電源系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)平衡設(shè)計(jì)折中很重要。拓?fù)浜烷_(kāi)關(guān)模式，如軟開(kāi)關(guān)（相對(duì)于硬開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器），可以使系統(tǒng)對(duì)振蕩等寄生效應(yīng)不那么敏感；振蕩會(huì)增加開(kāi)關(guān)組件上的電壓應(yīng)力。
拓?fù)溥x擇是新太空設(shè)計(jì)中的重要實(shí)例，開(kāi)關(guān)模式會(huì)影響電源轉(zhuǎn)換執(zhí)行的所有重要規(guī)范，其中包括功率密度、效率、瞬態(tài)響應(yīng)、輸出紋波、電磁干擾（EMI）釋放及成本等。
主要開(kāi)關(guān)損耗項(xiàng)可歸因?yàn)楣╇婃湼叨?MOSFET [金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管] 通過(guò)柵極充電要求及漏-源電容的導(dǎo)通行為。開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的增加而增加，從而可限制開(kāi)關(guān)頻率。體內(nèi)二極管導(dǎo)通損耗將進(jìn)一步降低硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換效率。雖然 GaN FET 沒(méi)有物理體內(nèi)二極管，但確實(shí)有幾伏特的反向傳導(dǎo)模式鉗位，因此很難管理 GaN 死區(qū)傳導(dǎo)期。
在同步硬開(kāi)關(guān)降壓拓?fù)渲?，高?cè) MOSFET 在其電壓最大（見(jiàn)圖 2）并在接通部分工作周期過(guò)程中傳導(dǎo)最大電流時(shí)接通。因此，高側(cè)開(kāi)關(guān)的功耗在開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中達(dá)到最大值。輸入電壓越高，功耗越高，因此在相同的轉(zhuǎn)換器中，高電壓比應(yīng)用的轉(zhuǎn)換器（例如，28V 至 3.3V）的效率往往比在要求較低轉(zhuǎn)換比（例如，5V 至 2.5V）的電路中的低。
圖 2：拓?fù)浼纳?yīng)。
軟開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)
替代方案（軟開(kāi)關(guān)）將大幅降低這些開(kāi)關(guān)損耗。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)需要的控制電路更復(fù)雜，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)時(shí)序必須與開(kāi)關(guān)波形協(xié)調(diào)。
軟開(kāi)關(guān)的一個(gè)實(shí)例是零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）技術(shù)，可提高一系列電源拓?fù)溟g的轉(zhuǎn)換效率。顧名思義，當(dāng)開(kāi)關(guān)的電壓為零或接近零時(shí)，ZVS 會(huì)高側(cè) MOSFET 上實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖 3a）。這在高側(cè) MOSFET 導(dǎo)通間隔期間打破功耗與電壓轉(zhuǎn)換比之間的聯(lián)系。支持 ZVS 技術(shù)的鉗位開(kāi)關(guān)允許轉(zhuǎn)換器在高低側(cè)開(kāi)關(guān)都關(guān)閉時(shí)，在輸出電感器中存儲(chǔ)少量能量。轉(zhuǎn)換器可使用這種在其它方面浪費(fèi)的能量為高側(cè) MOSFET 的寄生電容放點(diǎn)，并同步 MOSFET 的寄生電容充電。
將 MOSFET 的寄生電容從開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通行為中去除，可降低 MOSFET 針對(duì)柵漏電容（CGD）進(jìn)行選擇的敏感性，因此設(shè)計(jì)人員可將工作重心從導(dǎo)通電阻與柵極電容等傳統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)轉(zhuǎn)向?qū)娮琛?/p>
這種在接通過(guò)程中驅(qū)動(dòng)高側(cè) MOSFET 的方法可以避免刺激開(kāi)關(guān)寄生電感和電容；這些電感和電容易產(chǎn)生諧振，在硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渲姓T導(dǎo)大型電壓尖峰和振蕩（圖 3b）。通過(guò)消除尖峰并防止振蕩（見(jiàn)圖 3a），ZVS 不僅可消除功耗項(xiàng)，而且還可消除 EMI 發(fā)射源。
此外，從開(kāi)關(guān)行為中消除電壓尖峰可讓設(shè)計(jì)人員選擇導(dǎo)通電阻 RDS(on) 較低的較低電壓 MOSFET，從而提高效率。
圖 3：硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)波形對(duì)比。
軟開(kāi)關(guān)的功能非常廣泛。例如，Vicor 在其耐輻射電源模塊解決方案中使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，為專(zhuān)門(mén)用于中低軌道衛(wèi)星應(yīng)用的高性能通信 ASIC（專(zhuān)用集成電路）供電（見(jiàn)圖 4）。這些系統(tǒng)模塊使用 ZVS 升降壓拓?fù)?，?nbsp;BCM? 和 VTM? 的 PRM?、ZVS 及 ZCS 正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）提供支持。
VTM 尺寸很小，可以盡可能靠近 ASIC部署。在應(yīng)對(duì)當(dāng)代 ASIC、FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）、CPU（中央處理器）和 GPU（圖形處理器）消耗的大電流時(shí)，優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）至關(guān)重要。Vicor 模塊將軟開(kāi)關(guān)解決方案、耐輻射有源組件和車(chē)規(guī)級(jí)無(wú)源組件進(jìn)行了完美結(jié)合。
為了緩解單一事件功能中斷（SEFI）問(wèn)題，所有耐輻射模塊都包括并聯(lián)運(yùn)行的全冗余供電鏈。如果一個(gè)供電鏈因單個(gè)事件而出現(xiàn)故障，其保護(hù)電路會(huì)強(qiáng)制進(jìn)行斷電復(fù)位。在復(fù)位間隔期間，冗余供電鏈將承擔(dān)全部負(fù)載；而完成復(fù)位后，兩個(gè)供電鏈將再次并聯(lián)運(yùn)行。
圖 4：高功率諧振（ZVS 和 ZCS）拓?fù)淠K。
最后的結(jié)論：耐輻射電子系統(tǒng)很難設(shè)計(jì)。
文章來(lái)源：Vicor
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