測(cè)月雷達(dá)用高壓特種直流/直流變換器技術(shù)研究

王　儒，張明華，孫清曉（中國(guó)空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠，北京100190）

測(cè)月雷達(dá)用高壓特種直流/直流變換器技術(shù)研究

王儒，張明華，孫清曉
（中國(guó)空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠，北京100190）

針對(duì)高壓特種直流/直流變換器須滿足啟動(dòng)過沖小于1%的要求和月球探測(cè)環(huán)境下高壓輸出放電的問題，設(shè)計(jì)了輸出電壓緩起電路和多級(jí)升壓電路，保證直流/直流變換器在低氣壓環(huán)境下的可靠工作，并且通過了測(cè)月雷達(dá)高壓供電任務(wù)的驗(yàn)證，可為后續(xù)深空探測(cè)有效載荷的高壓特種直流/直流變換器設(shè)計(jì)提供支持。

高壓；過沖；放電

1　引言

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，航天器電源系統(tǒng)出現(xiàn)了為雷達(dá)等特種設(shè)備提供高壓輸出的特種直流/直流變換器（以下簡(jiǎn)稱電源）［1］，電源供電電壓達(dá)1000 V以上。某些專用航天器的高壓特種電源還具有低啟動(dòng)過沖、體積小、重量輕等要求，這就給設(shè)計(jì)增加了極大的難度，要求電源的設(shè)計(jì)方法不斷的改進(jìn)。

傳統(tǒng)電源采用工頻高壓電源和LC諧振充電方式，雖簡(jiǎn)單可靠，但體積重量難以滿足深空探測(cè)的需求，若要減小體積和減輕重量，需將電源高頻化，而高頻化高壓特種電源屬于新領(lǐng)域研發(fā)。同時(shí)，航天器高真空、超低溫等苛刻的工作環(huán)境，以及高壓特種電源體積小、質(zhì)量輕等苛刻的技術(shù)指標(biāo)要求，給高壓特種電源在電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、高壓輸出工藝等方面提出了新的挑戰(zhàn)。

2　高壓特種電源設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

由于高壓特種電源的負(fù)載對(duì)供電電壓質(zhì)量要求比較高，特別是供電電壓超過工作電壓時(shí)，將導(dǎo)致設(shè)備的損壞。而直流/直流變換器在啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓會(huì)有一定程度的過沖，如果控制不當(dāng)，過沖電壓將損壞設(shè)備。因此控制直流/直流變換器啟動(dòng)過程，將成為設(shè)計(jì)高壓特種電源的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，為了避免在真空環(huán)境中的電壓擊穿問題，在電路設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)方面，高壓特種電源也有別于傳統(tǒng)的低壓電源。

2.1緩起電路設(shè)計(jì)

為了解決高壓特種電源的低啟動(dòng)過沖問題，現(xiàn)有多種方法，如優(yōu)選拓?fù)?、加大輸出電容容量和?yōu)化控制電路［2-3］。對(duì)于高電壓輸出的電源而言，增加緩起電路是降低輸出電壓過沖的一條有效途徑。傳統(tǒng)緩起電路復(fù)雜，占有體積較大，而要想達(dá)到最優(yōu)的啟動(dòng)過沖必須對(duì)緩起電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)高電壓輸出、低啟動(dòng)過沖，緩起電路必須簡(jiǎn)單可靠，因此設(shè)計(jì)了一種外加阻容電路結(jié)構(gòu)，電路通過控制芯片誤差放大器輸出端來控制芯片的緩起，使輸出電壓緩慢建立，從而達(dá)到低啟動(dòng)過沖的目的。

緩起電路如圖1所示，控制芯片上電后，芯片參考電壓Vref經(jīng)阻容網(wǎng)絡(luò)對(duì)C1進(jìn)行充電，電容C1電壓緩慢上升，作為輸出電壓給定的誤差放大器輸出端電壓Vcomp也緩慢上升，從而控制輸出電壓緩慢上升，避免了啟動(dòng)時(shí)的過沖。通過調(diào)節(jié)C1的電容量來控制電源的啟動(dòng)速度，滿足低啟動(dòng)過沖技術(shù)指標(biāo)。

圖1　緩起電路示意圖Fig.1 Prototype of soft start circuit

新設(shè)計(jì)的緩起電路與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）控制方法簡(jiǎn)單可靠，利用控制芯片內(nèi)部集成的誤差放大器即可實(shí)現(xiàn)緩啟，而傳統(tǒng)的緩起電路需專用芯片，且需專門的外部供電。本設(shè)計(jì)可以省略專用芯片，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

2）外接電路簡(jiǎn)單，不需要外接輔助電源。同時(shí)可通過調(diào)節(jié)外部電路的阻容參數(shù)來實(shí)現(xiàn)低啟動(dòng)過沖，具有可靠性高，節(jié)約體積、重量和經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)點(diǎn)。

3）控制方法充分利用電容容值越大，充電速度越慢的特性，對(duì)可能提出的低啟動(dòng)過沖的技術(shù)要求，通過簡(jiǎn)單外接電路的固有屬性確保電路能滿足技術(shù)要求，理論上通過加大電容值可以達(dá)到啟動(dòng)過沖為零，即無過沖。

4）該控制方法適應(yīng)性寬，可以適應(yīng)任何拓?fù)潆娐?，滿足低啟動(dòng)過沖的技術(shù)要求，同時(shí)由于該電路只采用了電阻、電容等對(duì)輻照不敏感器件，可以應(yīng)用于高軌道、長(zhǎng)壽命衛(wèi)星。

圖2為輸出電壓?jiǎn)?dòng)實(shí)測(cè)波形，從實(shí)測(cè)波形可以看出，較好的滿足了高電壓輸出、低啟動(dòng)過沖的要求。較小的啟動(dòng)過沖延長(zhǎng)了相應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間（≤50 ms），滿足設(shè)備的使用要求。

圖2　輸出電壓?jiǎn)?dòng)實(shí)測(cè)波形Fig.2 Measured waveform of starting output voltage

2.2多級(jí)升壓電路設(shè)計(jì)

為了降低高壓特種電源輸出端器件電壓應(yīng)力，輸出端電路拓?fù)洳捎脙杉?jí)升壓模式，如圖3所示，使單級(jí)輸出降為輸出電壓的1/2，從而擴(kuò)大了器件的選用范圍，也有利于工藝實(shí)施，提高了電源的可靠性。

圖3　多級(jí)輸出高壓輸出拓?fù)銯ig.3 High-voltage output topology in multi-series

高壓特種電源電路選用反激設(shè)計(jì)，反激拓?fù)溆捎谳敵龆藳]有濾波電感，在高壓場(chǎng)合下很有優(yōu)勢(shì)，此外，反激拓?fù)洳恍枰邏豪m(xù)流二極管，使它在高電壓場(chǎng)合應(yīng)用更有利［4］。采用兩級(jí)串聯(lián)模式更進(jìn)一步降低了高壓整流二極管選用的可行性。變壓器副邊擁有兩個(gè)次級(jí)繞組，在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候?qū)⒆儔浩麟姼兄写鎯?chǔ)的能量傳遞到副邊，從而實(shí)現(xiàn)能量傳輸和電器隔離。具體工作原理為：功率MOS管Q1導(dǎo)通時(shí)，所有繞組同名端相對(duì)于異名端為負(fù)，輸入端將能量?jī)?chǔ)存在變壓器T1中，輸出整流二極管反偏，電容C2～C5單獨(dú)向負(fù)載供電；功率MOS管Q1關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器T1中的能量向負(fù)載供電，同時(shí)向電容C2～C5充電。電容的選擇應(yīng)保證提供負(fù)載電流的同時(shí)能夠滿足輸出電壓紋波和壓降的要求。

2.3高壓功率變壓器設(shè)計(jì)

應(yīng)用在高壓情況下時(shí)，變壓器繞組之間的絕緣特性顯的尤為重要。電源選擇窗口較大的RM磁心，這樣在加工時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)層間及繞組間高壓絕緣。變壓器副邊高壓輸出繞組間距≥3 mm，由于采用兩級(jí)升壓方式，一組繞組壓差最大為150 V，且引線根部采用414膠固定，降低了高壓放電的風(fēng)險(xiǎn)。圖4為功率變壓器示意圖。其中1和2表示變壓器原邊低壓繞組，3～6表示變壓器副邊高壓繞組。

圖4　高壓功率變壓器引線示意圖Fig.4 Down-lead prototype of highvoltage power transformer

為了保證層間及繞組間高壓絕緣實(shí)施，磁環(huán)首先纏繞絕緣材料進(jìn)行磁芯與繞組的絕緣，然后層間和繞組間也進(jìn)行絕緣材料纏繞絕緣，絕緣材料選用耐壓大于1500 V絕緣介質(zhì)。并且高壓功率變壓器整體浸漆處理，防止潮氣及保證絕緣。為了保證變壓器引出線與其它元器件之間的絕緣，采用絕緣材料將引出線保護(hù)。最后，固定變壓器卡簧材料采用聚四氟乙烯，使高壓功率變壓器與殼體絕緣。

2.4熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)

根據(jù)高壓特種電源技術(shù)要求，電源的工作溫度：-40℃～+80℃。

關(guān)鍵發(fā)熱元器件功耗核算如下：

1）功率MOS管

根據(jù)任務(wù)要求，高壓特種電源輸入電壓為15 V時(shí)，輸入電流平均值0.384 A，占空比約為0.35，最大峰值電流1.1 A。開關(guān)管道通損耗P（ON）如式（1）：

式中：IDS表示流過功率MOS管的電流，RDS表示功率MOS導(dǎo)通電阻，Dmax表示功率MOS導(dǎo)通占空比。

開關(guān)管驅(qū)動(dòng)損耗P（Q）如式（2）：

式中：Qg表示功率MOS管結(jié)電荷，Vgss表示功率MOS驅(qū)動(dòng)電壓，f表示功率MOS功率頻率。

開關(guān)管開通與關(guān)斷損耗P（on+off）（最惡劣情況）如式（3）：

式中：VDS表示功率MOS漏源電壓，tr表示功率MOS開通時(shí)間，tf表示功率MOS關(guān)斷時(shí)間。

2013年，在水利部黨組的正確領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)展研究中心認(rèn)真學(xué)習(xí)貫徹黨的十八大和十八屆三中全會(huì)精神，緊緊圍繞水利改革發(fā)展大局大勢(shì)，緊緊圍繞中央治水決策部署深入落實(shí)，緊緊圍繞民生水利理念實(shí)踐發(fā)展，著力抓好政策咨詢、基礎(chǔ)研究和能力建設(shè)，為水利中心工作提供了有力支撐。

2）高壓整流二極管

整流二極管的通態(tài)功耗PCOND（D1）如式（4）：

式中：VF表示二極管正向壓降，IF表示二極管正向電流，DT表示二極管導(dǎo)通占空比。

整流二極管的開關(guān)功耗PSWD（D1）如式（5）：

式中：VR表示二極管反向恢復(fù)電壓，IRR（PEAK）表示二極管正向峰值電流，trr表示二極管反向恢復(fù)時(shí)間。

熱仿真采用國(guó)際通用的電子散熱專用分析軟件FLOTHERM。

當(dāng)高壓特種電源工作在真空環(huán)境，其底面控溫為81℃的時(shí)候，產(chǎn)品熱分析圖如圖5、所示，元器件熱仿真數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，D2、D3雖然熱功耗不大，溫升卻較高，通過分析，主要原因如下：

1）由于該元器件體積小，使得它生熱率高；

2）其散熱主要依靠?jī)蓚€(gè)較細(xì)的引腳向印制板傳熱，其封裝尺寸如圖5所示，熱路徑較長(zhǎng)；

3）該元器件用在高壓上，印制板下無法大面積覆銅，導(dǎo)熱率低。

表1　熱仿真數(shù)據(jù)表Table2 Datasheet of thermal emulation

圖5　高壓特種電源立體熱分布圖Fig.5 3D thermal distribution sketch map of high-voltage special DC/DC converter

在考慮高壓特種電源安全性，適當(dāng)增大覆銅層無法實(shí)施，采取了在高壓二極管下方涂抹導(dǎo)熱硅橡膠，增大散熱面積。如表2所示，熱仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果較好的滿足了電源的要求，大幅降低器件的結(jié)溫，提高了高壓特種電源的使用壽命。

表2　熱仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表Table 2 Datasheet of thermal emulation and realmeasurement

2.5高壓特種工藝技術(shù)分析

為了保證高壓特種電源的應(yīng)用需求，防止在真空環(huán)境中器件被高壓損壞，除了在電路設(shè)計(jì)上采用多級(jí)升壓的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，在高壓特種電源工藝上也進(jìn)行了防護(hù)：

1）電氣間距控制

根據(jù)航天五院編制的《50V～250V設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)要求》［5］，涂覆后的導(dǎo)體，電位差為50 V至100 V時(shí)，最小電氣間距為0.13 mm；電位差為101 V至250 V時(shí)，最小電氣間距為0.4 mm。高壓特種電源裸機(jī)采取三防漆噴涂，所以高壓輸出屬于涂覆后的導(dǎo)體。實(shí)際設(shè)計(jì)中，高壓輸出與機(jī)殼及其它器件間距≥3 mm。

2）高壓焊點(diǎn)防護(hù)

防止低氣壓環(huán)境下高壓放電的產(chǎn)生，在超高電壓情況下，超高壓焊點(diǎn)應(yīng)使元器件引線的尖銳邊緣完全被連續(xù)、光滑的焊錫層全部覆蓋，或形成一個(gè)球形焊點(diǎn)，且球形焊點(diǎn)不超過指定的高度要求。不存在暴露引線的尖銳邊緣，焊點(diǎn)拉尖或夾雜（外來物）的情況（如圖6所示）。超高壓特種電源與常壓電源的覆形涂敷基本一致，只是高壓焊點(diǎn)為焊錫球類型，覆形涂敷可能不能完全覆蓋絕緣間隙。因此，超高壓焊點(diǎn)的情況通常在覆形涂敷應(yīng)用后再采用刷涂的方法將絕緣間隙進(jìn)行補(bǔ)刷。

圖6　插裝元器件高壓焊點(diǎn)示意圖Fig.6 Discrete component prototype of high-voltage soderings

3　高壓特種電源工程應(yīng)用及研制

按照用戶要求，研制了六臺(tái)高壓特種電源，產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。通過表3可知，高壓特種電源關(guān)鍵特性指標(biāo)一致性較好，并且滿足了深空探測(cè)輕量化、小型化的要求。

表3　主要技術(shù)指標(biāo)比較Table 3 Comparison ofmajor technical requirements

使用該高壓特種電源供電的月球探測(cè)某特種型號(hào)在軌工作正常，圓滿完成了型號(hào)任務(wù)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的高壓特種電源工作的可靠性，為后續(xù)深空探測(cè)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

4　結(jié)論

論述了測(cè)月雷達(dá)用高壓特種電源的研制，重點(diǎn)解決了高壓特種電源研制過程中五大技術(shù)難點(diǎn)問題：緩起電路設(shè)計(jì)技術(shù)、多級(jí)升壓電路設(shè)計(jì)、高壓功率變壓器設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)分析以及高壓特種工藝技術(shù)分析。并進(jìn)行了探月驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明：高壓特種電源圓滿完成了探月任務(wù)要求，并為后續(xù)深空探測(cè)有效載荷的高壓特種電源設(shè)計(jì)提供了支持。

［1］馬世俊.衛(wèi)星電源技術(shù)［M］.北京：中國(guó)宇航出版社，2001：376-391. Ma Shijun.Satellite power technology［M］.Beijing：China Astronautic Publishing House，2001：376-391.（in Chinese）

［2］普利萊曼A I.開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.王志強(qiáng)，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006：71-96. Abraham I.Pressman.Switching Power Supply Design［M］Wang Zhiqiang translate.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006，71-96.（in Chinese）

［3］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：424-426. Zhang Zhansong，Cai Xuansan.Switching Power Supply Theory And Design［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006：424-426.（in Chinese）

［4］Spiazzi G，Buso S.Comparison between two single-switch isolated flyback and forward high-quality rectifiers for low power applications［C］//Applied Power Electronics Conference and Exposition，2002.APEC 2002.Seventeenth Annual IEEE. IEEE，2002，1：249-255.

［5］50 V～250 V設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)要求［S］.北京：中國(guó)空間技術(shù)研究院，2008：1-9. 50 V～250 Vd design and technics requirement.Beijign：China Academy of Space Technology.2008：1-9.（in Chinese）

Research on High-Voltage Special DC/DC Converter App lied in Lunar Survey Radar

WANG Ru，ZHANG Minghua，SUN Qingxiao，
（Beijing Spacecrafts，China Academy of Space Technology，Beijing 100190，China）

For the rigorous demand of DC/DC Converter that its over shoot should bewithin 1%and the problem of discharge to high voltage output in detectors at lunar environment，the output soft start up andmultistep boost circuitswere designed.The circuit could guarantee the DC/DCConverter working reliably in low pressure and was validated in the high-voltage application in lunar survey radar successfully.Itmay provide support for the design of high-voltage special DC/DC converter in the payload of deep space detector.

high-voltage；over shoot；discharge

V423.4+4；TM89

A

1674-5825（2015）02-0142-04

2014-07-31；

2015-03-12

王儒（1982-），男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)樾禽d電源技術(shù)。E-mail：wangru@nuaa.edu.cn