【導讀】要想開發(fā)能夠在太空中可靠運行的衛(wèi)星電力電子系統(tǒng)，工程師們需要克服多方面的挑戰(zhàn)。沒有了地球磁場，衛(wèi)星很難使高能粒子偏轉(zhuǎn)。此外，沒有地球大氣層屏障的保護，空間系統(tǒng)會暴露在更大強度的波輻射及粒子輻射中，最終導致組件甚至整個系統(tǒng)故障。另一個問題是散熱，因為對流散熱在太空中不管用，所以只能通過將熱量傳導至表面后輻射散掉。
雖然半導體器件的選擇是為太空應用開發(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計策略之一。本文將討論在耐輻射電源系統(tǒng)中采用軟開關的基本策略及多種優(yōu)勢。
要想開發(fā)能夠在太空中可靠運行的衛(wèi)星電力電子系統(tǒng)，工程師們需要克服多方面的挑戰(zhàn)。沒有了地球磁場，衛(wèi)星很難使高能粒子偏轉(zhuǎn)。此外，沒有地球大氣層屏障的保護，空間系統(tǒng)會暴露在更大強度的波輻射及粒子輻射中，最終導致組件甚至整個系統(tǒng)故障。另一個問題是散熱，因為對流散熱在太空中不管用，所以只能通過將熱量傳導至表面后輻射散掉。
在此背景下，所謂的新太空應用通過一些手段，例如降低總電離輻射劑量暴露標準，來表明它們能夠采用 “耐輻射”組件，而不需要更堅固的抗輻射“加固”電路。然而，輻射損壞是累積的，因此任務時間長短是決定所受的輻射強度的一個因素，衛(wèi)星的軌道位置也會有影響。
減輕粒子輻射的影響
波輻射包括射線和電磁波。一般來說，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，太空中的輻射波長可延伸到可見光光譜的上方和下方。能見度以下的輻射包括微波和射頻（RF），能見度以上的輻射包括紫外線、X 射線和伽馬射線。在圖1中，注意波長和相關能量，這是測量輻射暴露的關鍵參數(shù)。
圖 1：這張圖展示了輻射光譜。
波輻射和粒子輻射實際上并不是兩個獨立的東西，但它們對電子系統(tǒng)的影響有所不同。單個粒子的質(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，當負電荷電子從原子軌道剝離時，通常為正電荷。
通過粒子輻射，我們可以看到物理損壞，特別是對半導體晶體晶格的損壞。這種損壞是永久性和/或累積性的。在電子被拖入損耗區(qū)，使非導電區(qū)導電的地方，會出現(xiàn)暫時性的破壞。正離子取代晶體基質(zhì)中的摻雜原子時，也會造成故障，有時會使半導體在錯誤的時間或地方導電，最終造成設備的永久性損壞。
太空真空中的另一個影響因素是，我們用于在地面散熱的有效對流不起作用。傳導的作用是傳播熱能，但多余的熱量最終必須輻射到寒冷的太空中。一個復雜的因素是，暴露在陽光下的表面溫度會變得非常高，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)建堅固的耐輻射電源電子元器件
即使在當前快節(jié)奏的新太空商業(yè)環(huán)境中，發(fā)射和更換報廢衛(wèi)星的成本也非常高昂，因此謹慎設計尤為重要。
怎么實現(xiàn)這一目標？答案不止一個，創(chuàng)建堅固的航空電子系統(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)界一流的半導體工藝節(jié)點提高了耐輻射性。雙極性半導體可根據(jù)其位移損壞等級進行選擇?？梢赃x擇本來就耐輻射的寬帶隙（氮化鎵，GaN）FET（場效應晶體管）。有些部件根本不適合在太空環(huán)境中使用，如某些環(huán)氧樹脂和鋁電解質(zhì)電容器，它們會在真空中釋放氣體。
物理冗余也很重要，確保一個系統(tǒng)發(fā)生故障時可以讓另一個系統(tǒng)來接管。在一些系統(tǒng)中，有三個系統(tǒng)并行運行。如果其中一個與另外兩個不一致，其輸出可以忽略。有時提供有四個冗余系統(tǒng)，如果一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可換用一個備用系統(tǒng)。即使有了這些保障，耐輻射設計要求也會限制組件的選擇。性能監(jiān)視器、安全保護機制、電源斷開和復位電路的增加不能導致最終解決方案的效率、尺寸和重量超出要求。
拓撲選擇和開關模式的影響
通過選擇合適的電源系統(tǒng)架構(gòu)來平衡設計折中很重要。拓撲和開關模式，如軟開關（相對于硬開關電源轉(zhuǎn)換器），可以使系統(tǒng)對振蕩等寄生效應不那么敏感；振蕩會增加開關組件上的電壓應力。
拓撲選擇是新太空設計中的重要實例，開關模式會影響電源轉(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、輸出紋波、電磁干擾（EMI）釋放及成本等。
主要開關損耗項可歸因為供電鏈高端 MOSFET [金屬氧化物半導體場效應晶體管] 通過柵極充電要求及漏-源電容的導通行為。開關損耗隨開關頻率的增加而增加，從而可限制開關頻率。體內(nèi)二極管導通損耗將進一步降低硬開關轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換效率。雖然 GaN FET 沒有物理體內(nèi)二極管，但確實有幾伏特的反向傳導模式鉗位，因此很難管理 GaN 死區(qū)傳導期。
在同步硬開關降壓拓撲中，高側(cè) MOSFET 在其電壓最大（見圖 2）并在接通部分工作周期過程中傳導最大電流時接通。因此，高側(cè)開關的功耗在開關切換過程中達到最大值。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：拓撲寄生效應。
軟開關的優(yōu)勢
替代方案（軟開關）將大幅降低這些開關損耗。軟開關技術需要的控制電路更復雜，因為開關時序必須與開關波形協(xié)調(diào)。
軟開關的一個實例是零電壓開關（ZVS）技術，可提高一系列電源拓撲間的轉(zhuǎn)換效率。顧名思義，當開關的電壓為零或接近零時，ZVS 會高側(cè) MOSFET 上實現(xiàn)（見圖 3a）。這在高側(cè) MOSFET 導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 技術的鉗位開關允許轉(zhuǎn)換器在高低側(cè)開關都關閉時，在輸出電感器中存儲少量能量。轉(zhuǎn)換器可使用這種在其它方面浪費的能量為高側(cè) MOSFET 的寄生電容放點，并同步 MOSFET 的寄生電容充電。
將 MOSFET 的寄生電容從開關的導通行為中去除，可降低 MOSFET 針對柵漏電容（CGD）進行選擇的敏感性，因此設計人員可將工作重心從導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>
這種在接通過程中驅(qū)動高側(cè) MOSFET 的方法可以避免刺激開關寄生電感和電容；這些電感和電容易產(chǎn)生諧振，在硬開關拓撲中誘導大型電壓尖峰和振蕩（圖 3b）。通過消除尖峰并防止振蕩（見圖 3a），ZVS 不僅可消除功耗項，而且還可消除 EMI 發(fā)射源。
此外，從開關行為中消除電壓尖峰可讓設計人員選擇導通電阻 RDS(on) 較低的較低電壓 MOSFET，從而提高效率。
圖 3：硬開關與軟開關波形對比。
軟開關的功能非常廣泛。例如，Vicor 在其耐輻射電源模塊解決方案中使用軟開關技術，為專門用于中低軌道衛(wèi)星應用的高性能通信 ASIC（專用集成電路）供電（見圖 4）。這些系統(tǒng)模塊使用 ZVS 升降壓拓撲，為 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。在應對當代 ASIC、FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）、CPU（中央處理器）和 GPU（圖形處理器）消耗的大電流時，優(yōu)化供電網(wǎng)絡（PDN）至關重要。Vicor 模塊將軟開關解決方案、耐輻射有源組件和車規(guī)級無源組件進行了完美結(jié)合。
為了緩解單一事件功能中斷（SEFI）問題，所有耐輻射模塊都包括并聯(lián)運行的全冗余供電鏈。如果一個供電鏈因單個事件而出現(xiàn)故障，其保護電路會強制進行斷電復位。在復位間隔期間，冗余供電鏈將承擔全部負載；而完成復位后，兩個供電鏈將再次并聯(lián)運行。
圖 4：高功率諧振（ZVS 和 ZCS）拓撲模塊。
最后的結(jié)論：耐輻射電子系統(tǒng)很難設計。
文章來源：Vicor
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