航天器二次電源的低溫工作特性研究

任海英，李廷中，萬(wàn)成安

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

0 引言

未來(lái)的深空探測(cè)任務(wù)，探測(cè)器必須耐受非常低的溫度環(huán)境，如土星探測(cè)器在非加熱工況下的工作溫度約為-183 ℃。表1列出了行星探測(cè)器在非加熱工況下的工作溫度。為了維持探測(cè)器各種設(shè)備正常工作的溫度要求，目前常采用放射性同位素加熱單元。而該加熱單元在整個(gè)任務(wù)階段總是處于工作狀態(tài)，需要相關(guān)的安全機(jī)構(gòu)和熱管理系統(tǒng)進(jìn)行控制與管理。若探測(cè)器的電子設(shè)備能夠耐受深空低溫環(huán)境并可靠工作，則不再需要放射性同位素加熱單元及相關(guān)的控制與管理系統(tǒng)，這樣不僅可以大大地減小探測(cè)器的體積和重量，還可提高航天器運(yùn)行的可靠性并延長(zhǎng)其壽命[1-3]。

表1 行星探測(cè)器在非加熱工況下的工作溫度Table 1 Typical operational temperatures for an unheated spacecraft

近年來(lái)，隨著深空探測(cè)任務(wù)的深入開(kāi)展，美國(guó)NASA 格林研究中心（GRC）制定了低溫電子研究計(jì)劃，主要集中于低溫電子元器件、功率電路和供電系統(tǒng)等的研究開(kāi)發(fā)，該計(jì)劃已取得了較大突破和 進(jìn)展[1]。致力于空間低溫電子技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)可能是未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。而我國(guó)還沒(méi)有開(kāi)展過(guò)相關(guān)技術(shù)的研究，隨著我國(guó)深空探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施，有必要制定相應(yīng)的研究計(jì)劃。

本文從深空探測(cè)航天器二次電源（即DC/DC變換器）的關(guān)鍵有源器件著手，對(duì)功率半導(dǎo)體器件（功率MOS 管和功率二極管）、PWM 控制芯片的低溫特性進(jìn)行深入分析[3-5]，并對(duì)一個(gè)25 W/5.8 V 輸出的航天器二次電源在-35～80℃溫度范圍內(nèi)工作的試驗(yàn)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，這些工作可為后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)的實(shí)施提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 二次電源的供電結(jié)構(gòu)

大多數(shù)空間供電系統(tǒng)采用的是基于二次電源供電的方式，即將輸入的航天器一次母線電壓轉(zhuǎn)化為各種類型的電壓，提供給航天器各類電子設(shè)備使用，例如：各種功率級(jí)輸出的航天器二次電源，其輸入電壓范圍為24～160 V，輸出電壓范圍為1.5～42 V，輸出功率范圍為1 W～2 kW。

近年來(lái)，隨著功率電子器件的飛速發(fā)展，在航天器二次電源設(shè)計(jì)方面取得了巨大的進(jìn)步，DC/DC變換器在輸出功率、效率等方面有很大提高，而體積、重量明顯減小。DC/DC 變換器的功率密度比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)變換器大50%或更高；與傳統(tǒng)的肖特基二極管比較，同步整流技術(shù)的應(yīng)用大大提高了大功率電源的效率；多層厚膜封裝技術(shù)的采用，可在較小的體積范圍內(nèi)提供較高的功率輸出[1,6]。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)航天器二次電源的最低工作溫度僅限定在-35 ℃或-40 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于深空探測(cè)任務(wù)的溫度。因此，需要研究DC/DC 變換器的低溫工作特性，以拓寬它們的最低工作溫度的范圍，滿足未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)的需要。

圖1為航天器二次電源的供電結(jié)構(gòu)，主功率變換部分主要包括一次母線保護(hù)電路、浪涌抑制電路、EMI 濾波器、功率變換電路、整流及濾波電路；控制部分主要包括輔助電源、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路。我國(guó)現(xiàn)有的航天器一次母線主要包括100 V 母線（大型通信衛(wèi)星系列）、42 V 母線（導(dǎo)航衛(wèi)星系列）、28 V 母線（小衛(wèi)星系列）。航天器二次電源中應(yīng)用的關(guān)鍵元器件有功率半導(dǎo)體器件、控制芯片、變壓器、電感器、電容器和電阻器等，由于無(wú)源器件相對(duì)于有源器件在低溫條件下對(duì)二次電源的影響較小，暫不考慮無(wú)源器件在低溫條件下工作帶來(lái)的影響。如圖1所示，功率半導(dǎo)體器件位于功率變換電路部分，PWM 控制芯片位于控制電路部分。

圖1 航天器二次電源的供電結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The configuration of DC/DC converter of spacecraft

2 關(guān)鍵元器件的低溫特性分析

2.1 航天器二次電源的拓?fù)浜?jiǎn)介

目前，國(guó)內(nèi)航天器二次電源的功率范圍為 1 W～2 kW，工作開(kāi)關(guān)頻率范圍為50～400 kHz。二次電源的變換器拓?fù)溆蟹歉綦x式和隔離式2 種，其中非隔離式變換器拓?fù)浒˙uck、Boost 和Cuk等結(jié)構(gòu)型式，而隔離式變換器拓?fù)浒▎味苏?、單端反激、半橋、推挽和全橋等結(jié)構(gòu)型式。圖2為非隔離式Buck 變換器和隔離式單端正激變換器的拓?fù)鋱D，無(wú)論采用哪種拓?fù)湫褪剑教炱鞫坞娫吹墓β拾雽?dǎo)體器件主要包括功率MOS 管（圖2中M1）和功率二極管（圖2中D1、D2）。這些二次電源大多數(shù)采用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制，通過(guò)PWM 控制芯片進(jìn)行電壓和電流調(diào)節(jié)。

圖2 航天器二次電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例Fig.2 The example to show the topology of spacecraft DC/DC converter

2.2 功率半導(dǎo)體器件

-148 ℃下的低溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了低溫功率電子器件、電路和系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。在低溫條件下，盡管砷化鎵具有很好的應(yīng)用潛力，但目前硅仍是最主要的功率半導(dǎo)體應(yīng)用材料，最主要的元器件仍為硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOS 管）和硅二極管。溫度的降低使基于硅的半導(dǎo)體二次電源在液氮溫度（-196 ℃）下可獲得更高的工作效率[4,7]。

2.2.1 功率MOS 管

功率MOSFET 管是二次電源適應(yīng)在低溫下工作的最好的功率開(kāi)關(guān)器件，在不同溫度下其導(dǎo)通特性和阻斷特性會(huì)隨之改變，因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)引起載流子的遷移率、飽和漂移速度以及本征載流子濃度發(fā)生變化，從而引起功率MOSFET 管相關(guān)特性參數(shù)的改變[8-9]。

1）閾值電壓VT是描述功率MOSFET 管開(kāi)關(guān)過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)MOS 管柵極電壓VGS達(dá)到VT時(shí)，感應(yīng)通道開(kāi)始形成，器件才具備導(dǎo)通條件。在低溫條件下，因VT會(huì)上升，所以MOS 管導(dǎo)通需要更高的柵極電壓。

2）跨導(dǎo)gm的大小反映了柵極電壓控制漏極電流的能力，低溫條件下其值會(huì)增大。

3）導(dǎo)通電阻Ron是描述功率MOSFET 管通態(tài)特征的關(guān)鍵參數(shù)，若減小Ron，可減少通態(tài)損耗。對(duì)于功率MOSFET 管，Ron隨溫度的降低而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即具有正的溫度系數(shù)。在低溫條件下，Ron會(huì)變小，故MOS 管的通態(tài)損耗也隨之降低。

4）在低溫條件下，功率MOSFET 管工作在飽和區(qū)時(shí)，其漏極飽和電流會(huì)升高。

5）隨著溫度的降低，功率MOSFET 管的擊穿電壓VBR會(huì)降低，漏極電流也會(huì)降低。

綜上所述，在硅器件的工作范圍內(nèi)，功率MOSFET 管工作在低溫環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)閾值電壓上升、跨導(dǎo)增大、導(dǎo)通電阻變小、擊穿電壓及漏極電流降低等現(xiàn)象。若二次電源在低溫下工作時(shí)，MOSFET管這些工作特性的變化會(huì)使其損耗和安全工作區(qū)發(fā)生變化，并帶來(lái)二次電源效率的小幅提升[4]。

2.2.2 功率二極管

目前，國(guó)內(nèi)航天器二次電源中的功率二極管多采用肖特基二極管。由于抗輻照同步整流管尚未應(yīng)用于國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域中，碳化硅二極管的應(yīng)用技術(shù)也還未實(shí)現(xiàn)高可靠性驗(yàn)證，因此硅肖特基二極管在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將在航天器二次電源中占據(jù)很重要的位置。

在低溫下，功率二極管的相關(guān)特性參數(shù)會(huì)發(fā)生改變[4]。

1）二極管正向壓降的增加使得其在液氮溫度下的損耗約相當(dāng)于室溫下的2 倍；

2）在液氮溫度下內(nèi)部載流子密度相當(dāng)于室溫下的1/30，PN 結(jié)的反向飽和電流與內(nèi)部載流子密度的平方成正比，因此飽和電流會(huì)大幅減少；

3）二極管的反向恢復(fù)峰值電流和反向恢復(fù)時(shí)間在低溫時(shí)會(huì)有較大幅度的增加。

NASA 格倫研究中心的試驗(yàn)表明，一個(gè)輸入電壓為42 V、輸出功率175 W、頻率50 kHz 的PWM型Buck 二次電源在液氮溫度下的工作損耗相對(duì)于室溫有所降低[4]。在液氮溫度下，雖然功率MOSFET 管工作性能得到大大改善，但是輸出續(xù)流二極管在低溫下工作性能衰退，這使得同步整流技術(shù)更加具有吸引力。因此在較大功率的二次電源中，采用同步整流技術(shù)將能彌補(bǔ)二極管在低溫下工作特性的不足，使得二次電源在低溫環(huán)境下仍能保持較好的電氣性能。

2.3 PWM 控制芯片

就PWM 控制芯片而言，對(duì)以諧振形式工作的功率變換器電路，開(kāi)關(guān)或諧振頻率隨溫度改變而改變，使得DC/DC 變換器很難在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)下滿足線性和負(fù)載調(diào)整率要求。一些電流控制型PWM 芯片在高功率和高電壓應(yīng)用中對(duì)噪聲最敏感，為了解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)對(duì)閉環(huán)脈寬調(diào)節(jié)控制電路謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)以改善其抗噪聲能力。此外，必須采用CMOS 器件替代雙極性類型器件。當(dāng)前國(guó)內(nèi)航天器二次電源應(yīng)用的PWM 控制芯片有UC1842、UC1845、UC1825 等，這些芯片為DC/DC 變換器提供了更加簡(jiǎn)單的控制電路設(shè)計(jì)[10]。

低溫下，PWM 控制芯片具有如下工作特性[4,11]：1）液氮溫度下，工作速度增加、觸發(fā)敏感性減弱、漏電流降低、熱噪聲減小、開(kāi)關(guān)噪聲增大；2）在液氮溫度下可重啟；3）CMOS 邏輯電路工作速度更高，開(kāi)關(guān)頻率有少許增加；4）溫度降低時(shí)，綜合效率會(huì)增加，并且在波形上有少許變化，輸出參考電壓會(huì)有微量變化；5）控制電路的可靠度在液氮溫度下也會(huì)有所提高。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本文以輸入電壓30～50 V（即42 V 一次母線系列）、輸出電壓5.8 V、輸出功率25 W、工作頻率 250 kHz、采用單端正激變換器拓?fù)涞暮教炱鞫坞娫礊槔?，?duì)其進(jìn)行了溫度環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試，包括高低溫循環(huán)試驗(yàn)（-35～80 ℃）和熱真空試驗(yàn)（-35～80 ℃）。

圖3～圖6為該航天器二次電源在25 ℃條件下關(guān)鍵有源器件的試驗(yàn)波形。圖3為MOSFET 管GS兩端PWM 驅(qū)動(dòng)波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間（2 μs/div），縱坐標(biāo)為電壓（5 V/div）；PWM 工作頻率為251.7 kHz，PWM 占空比為27.8%，PWM 電壓變化范圍為-2.4～14V，可見(jiàn)PWM 芯片的輸出完全處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖4為MOSFET 管DS 兩端電壓波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間（2 μs/div），縱坐標(biāo)為電壓（50 V/div），由于采用了抑制尖峰電壓設(shè)計(jì)，MOSFET 管DS 兩端電壓無(wú)尖峰和毛刺。圖5為續(xù)流二極管兩端電壓波形，橫 坐標(biāo)為時(shí)間（2 μs/div），縱坐標(biāo)為電壓（20 V/div），反向電壓約為22 V。圖6為輸出電壓的負(fù)載階躍波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間（2 ms/div），縱坐標(biāo)為電壓 （50 mV/div），穩(wěn)態(tài)時(shí)紋波電壓約為20 mV，負(fù)載階躍響應(yīng)時(shí)間小于1 ms，上沖、下陷電壓約為51 mV，可見(jiàn)該二次電源在25 ℃時(shí)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均優(yōu)良。

圖3 MOSFET 管GS 兩端PWM 驅(qū)動(dòng)波形Fig.3 The PWM wave for GS of MOSFET

圖4 MOSFET 管DS 兩端電壓波形Fig.4 The voltage wave for DS of MOSFET

圖5 續(xù)流二極管兩端電壓波形Fig.5 The voltage wave for diode of intermittent current

圖6 輸出電壓負(fù)載階躍波形（25 ℃）Fig.6 The wave for output voltage jumps at 25 ℃

通過(guò)溫度環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試，可得出該二次電源在-35～80 ℃溫度范圍內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出輸出電壓隨溫度變化曲線及輸出效率隨溫度變化曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 輸出電壓隨溫度變化曲線Fig.7 The curve of the output voltage against the temperature

圖8 輸出效率隨溫度變化曲線Fig.8 The curve of the output efficiency against the temperature

當(dāng)溫度從80 ℃降到-35 ℃時(shí)，二次電源的輸出 電壓從5.823 9 V 下降到5.822 3 V，下降約0.027%；輸出效率從73.23%下降到72.18%，下降約1.43%。試驗(yàn)結(jié)果與國(guó)外研究數(shù)據(jù)一致[11-12]。溫度從80 ℃降到-35 ℃時(shí)，輸出電壓的微小下降源于PWM 控制芯片輸出參考電壓的微量變化，但仍能滿足一般二次電源1%的輸出精度要求。另外，國(guó)外研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)溫度從200 ℃降到-196 ℃時(shí)，二次電源輸出效率總體是呈上升趨勢(shì)的，這是因?yàn)镸OSFET管的通態(tài)損耗減小量大于二極管損耗的增加量；但在溫度從80 ℃降到-35 ℃時(shí)，MOSFET 管的通態(tài)損耗減小量還無(wú)法達(dá)到與二極管損耗的增加量相抵，故輸出效率表現(xiàn)為略有下降。

航天器二次電源在-35 ℃低溫下工作時(shí)，由于其置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，較難測(cè)試到MOSFET 管、二極管和PWM 芯片相關(guān)參數(shù)的真實(shí)波形，可得到的輸出電壓負(fù)載階躍波形能間接反映這些關(guān)鍵有源器件對(duì)二次電源低溫工作特性的影響。圖9為二次電源在-35 ℃低溫下工作時(shí)輸出電壓的負(fù)載階躍波形，穩(wěn)態(tài)時(shí)紋波電壓約為30 mV，負(fù)載階躍響應(yīng)時(shí)間小于1 ms，上沖、下陷電壓約為62 mV。與圖6比較可知，該二次電源在-35 ℃時(shí)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能相對(duì)于25 ℃時(shí)均有所下降，這是因?yàn)槎坞娫丛?35 ℃下工作時(shí)，PWM 控制芯片的工作頻率會(huì)有少許增加，開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)增大，二極管的反向恢復(fù)峰值電流和反向恢復(fù)時(shí)間會(huì)有一定幅度的增加，故二次電源的紋波電壓及上沖、下陷電壓均有少許增加。

圖9 輸出電壓負(fù)載階躍波形（-35 ℃）Fig.9 The wave for output voltage jumps at -35 ℃

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)深空探測(cè)中航天器二次電源的功率半導(dǎo)體器件（功率MOS 管和功率二極管）、PWM 控制芯片的低溫特性進(jìn)行了深入探討，并對(duì)一個(gè)25 W/ 5.8 V 輸出的航天器二次電源在-35～80 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析。此外，在液氮溫度下，由于材料在電子、電氣和熱方面性能改善，可能得到更高功率密度、更高效率的二次電源。為了提高航天器電源系統(tǒng)的綜合供電能力，以適應(yīng)于未來(lái)航天器低溫環(huán)境應(yīng)用，需要繼續(xù)深入探索有源器件的低溫特性。

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