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新太空供电网络

太空是一个充满挑战且不容许任何差错的环境,要求设备具备最高性能和绝对可靠性。因此,仔细选择最适合应用的产品至关重要。对于低地球轨道(LEO)和中地球轨道(MEO)卫星而言,耐辐射部件是确保卓越性能和延长任务寿命的最佳选择。Vicor 公司成熟的耐辐射高密度电源模块性能卓越,并经过严格测试,能够承受太空环境的严苛考验。

Satellite image

作者:Ken Coffman,高级现场应用工程师;Salah Ben Doua,首席应用工程师

太空中的电子系统面临诸多危险,包括持续受到电磁波和粒子辐射的影响。半导体器件特别容易受到粒子辐射的影响,这可能导致系统故障甚至永久性损坏。

然而,并非所有太空应用都需要相同程度的辐射防护。例如,深空探测任务使用昂贵的耐辐射强化组件;而当今的新太空应用,如运行在 LEO(低地球轨道)和 MEO(中地球轨道)的卫星,则只需要“耐辐射”的组件和电路。

如图 1 所示,电磁波辐射和粒子辐射虽然相关,但对系统的影响却有所不同。单个粒子的质量虽小,但可以加速到极高的速度。它们还可能携带电荷——通常由于原子轨道中的负电荷电子被剥离而带正电荷。

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图 1:辐射谱。

粒子辐射可能造成物理损坏,尤其是对半导体晶格结构的破坏,这种损伤可能是永久性的和/或累积性的。当电子被拖入耗尽区并使非导电区导电时,系统也会出现暂时性故障。

另一方面,如果正离子取代晶体矩阵中的掺杂原子,就可能造成永久性损伤,使不应导电的半导体开始导电,从而因电路故障而造成永久性损坏。

很大一部分辐射损伤是累积性的,所以任务的持续时间将始终是一个无法回避的因素。

最佳实践

在当今迅速发展的新太空商业环境中,发射和更换失效卫星的成本十分高昂,因此精心设计至关重要。

选择耐辐射的组件。某些半导体工艺节点改进了耐辐射性能。双极型半导体可以根据位移损伤等级进行选择,而宽带隙(GaN)场效应晶体管(FET)具有固有的耐辐射能力。某些环氧树脂和铝电解电容在真空中会释放气体,因此不适合在太空环境中使用。

考虑到不同批次之间的差异,应对多批次产品的耐辐射性能进行抽样测试。

可以采用多重冗余设计。物理冗余是一种保障措施。如果一个系统失效,另一个可以接替工作。在某些系统中,有三个并行运行的系统,如果其中一个与另外两个不一致,其输出就可以被忽略。

可以降低功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的额定值,这样即使在不可避免的栅源电压(VGS)阈值降级后,器件在任务结束时仍能正常工作。

屏蔽可以保护敏感的电子设备,但如果粒子能量足够高,级联的屏蔽粒子反而可能加剧问题。

可以添加电路来监控性能,如果故障可恢复,则可以断开并重启不一致的系统。

然而,无论采用什么设计策略和电源拓扑结构,新太空电子系统都必须经过严格的分析、仿真和测试,以确保其环境和耐辐射性能。

带来竞争优势

软开关拓扑结构(相比于硬开关电源转换器)能够降低寄生效应对系统的影响,如增加开关组件的电压应力引起的振铃现象。

评估拓扑结构时需要考虑的因素包括功率密度、效率、瞬态响应、输出纹波、电磁干扰(EMI)辐射以及成本。

MOSFET 的开关损耗主要来自栅极电荷需求和漏源电容。

随着开关频率的提高,开关损耗也会增加,这就限制了开关频率的进一步提升。体二极管的导通损耗进一步降低了硬开关转换器的电源转换效率。

虽然 GaN FET 没有物理的体二极管,但它们确实有一个电压为几伏特的反向导通模式,这使得 GaN器件的死区导通期变得非常难以管理。

在同步硬开关降压拓扑中,高边 FET 在其两端电压最大时开启,并在工作周期的开通阶段导通最大电流(如图 2 左侧所示)。输入电压越高,功率损耗就越大,因此在高电压比应用中(如 28V 降至 3.3V),转换器的效率会比转换比更高的转换器(如 5V 降至 2.5V)要差。

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图 2:拓扑寄生效应。传统硬开关降压转换器(左)与零电压开关(ZVS)降压转换器(右)对比。

“在当今迅速发展的新太空商业环境中,发射和更换失效卫星的成本十分高昂,因此精心设计至关重要。”

软开关的优势

软开关技术可以减少开关损耗。零电压开关(ZVS)技术是软开关的一种典型应用,它提高了各种电源拓扑的转换效率。ZVS 在开关电压接近零或为零时开启高边 FET(参见图 2 右侧)。

利用 ZVS 技术操作钳位开关,可以在高低边开关都关闭时,在输出电感中储存少量能量。转换器利用这部分原本会被浪费的能量来对高边 FET 的输出电容进行放电,并给同步 FET 的输出寄生电容充电。

通过消除 FET 输出电容在开关开启过程中的影响,设计人员可以不用过分关注栅极-漏极电容(Cgd),而将注意力集中在导通状态下的通道电阻上,而不是通道电阻与栅极电容的乘积等传统的性能指标。

这种在开启期间驱动高边 FET 的方法可以避免激发开关的寄生电感和电容,这些寄生参数在硬开关拓扑中往往会产生谐振,引起大幅电压尖峰和振铃(见图 3a)。通过消除尖峰和减少振铃(见图 3b),ZVS 技术不仅减少了一个功率损耗项,还消除了一个电磁干扰(EMI)源。

Hard-switching versus softs-witching wave forms image

图 3:硬开关与软开关波形对比。

通过消除开关过程中的电压尖峰,设计人员可以选用导通电阻(RDSON)更低的低电压场效应晶体管(FET),从而提高效率。

Vicor 是众多开发软开关技术的公司之一,并将其运用于耐辐射电源模块解决方案,为中地球轨道(MEO)和低地球轨道(LEO)卫星应用的高性能通信 ASIC 供电(见图 4)。这些系统模块在 PRM™(电源调节模块)中使用零电压开关(ZVS)降压-升压拓扑结构,而在 BCM®(母线转换器模块)和 VTM™(电压转换器模块)中则同时运用了零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)正弦幅值转换器™(SAC™)技术。
 

High-power resonant (ZVS and ZCS) topology modules image

图 4: 高功率谐振(零电压开关和零电流开关)拓扑模块。

电压转换模块(VTM)体积小巧,可以尽可能靠近 ASIC 放置。在满足现代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 等的大电流需求时,优化配电网络(PDN)至关重要。

因此,Vicor 公司的模块结合了软开关方案、耐辐射的有源组件和车规级无源组件。

为了降低单事件功能中断的影响,所有耐辐射模块都包含完全冗余的并联动力系统。如果一个动力系统因单一事件而受到干扰,其保护电路会强制执行断电复位。在复位期间,冗余动力系统承担全部负载,复位完成后两个动力系统再次并联运行。

设计新的太空电源转换器时,选择合适的拓扑结构和开关模式也是非常重要的考虑因素,此外还有许多其他因素需要权衡。

本文最初由 New Electronics 发布。

Ken Coffman,高级现场应用工程师,被指派到 Vicor 新太空计划工作。他住在亚利桑那州凤凰城。您可以给 Ken 发邮件,邮箱地址为:kcoffman@vicr.com。

Ken Coffman

Ken Coffman,高级现场应用工程师

Salah Ben Doua,首席应用工程师,在电源设计领域拥有 30 年的丰富经验,为 Vicor 客户提供支持已有 20 余载,主要为包括航空航天与国防、工业、铁路、照明与通信在内的众多领域的 DC-DC 和  AC-DC 电源系统开发提供专业技术及咨询。Salah 毕业于图卢兹国家理工学院 (the National Polytechnic Institute of Toulouse),获电源转换专业博士学位。

Salah Ben Doua

Salah Ben Doua,首席应用工程师

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