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        測(cè)月雷達(dá)用高壓特種直流/直流變換器技術(shù)研究

        2015-11-07 03:10:40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
        載人航天 2015年2期
        關(guān)鍵詞:特種二極管直流

        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)

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        [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

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