肖 波，呂倩倩，谷瀚天，李培蕾，張俊峰

（1. 中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094； 2. 蘭州空間物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

為保證航天器產(chǎn)品的高質量、高可靠性，美國航空航天局（NASA）和歐洲空間元器件協(xié)調委員會（ESCC）制定了相關元器件的評估標準，特別是極限試驗相關標準，以開展對宇航用元器件實際能力的極限摸底，掌握元器件設計或應用裕度等可靠性信息。我國主要依托國家軍用標準和航天行業(yè)標準，并結合新的可靠性強化試驗來進行宇航元器件的可靠性評價[1-2]。

DC/DC 電源變換器是航天器分布式電源結構中不可或缺的重要器件，關系航天器產(chǎn)品的安全。為了對其極限性能以及可能的失效模式進行摸底評估，保證型號設計選用的高可靠性，有必要開展極限評估試驗研究。

在針對宇航用100 V 厚膜DC/DC 電源變換器的極限特性測試中，主要關注電源變換器產(chǎn)品的輸入/輸出、負載及動態(tài)參數(shù)特性，通過設置篩選測試條件和鑒定考核試驗條件確定產(chǎn)品是否滿足相應的規(guī)范值。但目前表征產(chǎn)品極限特性的測試與試驗方法存在不足，特別是在模擬空間環(huán)境宇航應用條件下的極限特性方面；而空間太陽電池陣母線電壓不穩(wěn)定，重離子及高能粒子輻射效應引起的工作電壓變化等會嚴重影響電源變換器的在軌工作性能。因此，本文開展針對性的電應力、溫度應力、機械應力等極限試驗研究，通過設計不同的極限試驗條件給出該器件的各類極限、可靠性裕量等信息，以期為該器件的后續(xù)研制和應用提供指導與參考。

1 極限評估試驗目的及設置

極限評估試驗主要是通過設計一系列的試驗，獲取器件在電、力、熱等應力作用下可承受的應力極限值，以評估元器件實際能力與其應用條件之間的裕量。極限是指元器件在規(guī)定時間的應力條件下滿足要求的臨界應力值，通常包括規(guī)范極限、可用極限、固有極限和破壞極限4 種[2]。

本文對100 V 厚膜DC/DC 電源變換器的極限評估試驗主要考查該器件的規(guī)范極限和固有極限。極限評估試驗方式通常分為步進應力試驗和恒定應力試驗。在宇航應用環(huán)境下，航天器母線供電電壓有可能因環(huán)境因素出現(xiàn)一定的波動，故需模擬設計步進加電應力對DC/DC 電源變換器在欠壓、過壓和慢加電條件下的極限能力進行摸底；負載短路會對整機系統(tǒng)造成較嚴重影響，故需對負載存在短路條件下的輸出短路極限能力進行摸底；同時，需針對溫度應力和機械應力，通過設計極限高低溫環(huán)境和極限應力環(huán)境來獲取器件極限能力數(shù)據(jù)。

2 試驗方法與程序

基于第1 章極限評估試驗的目的及設置，設計100 V 厚膜DC/DC 電源變換器極限評估試驗流程（如圖1 所示）。

圖 1 100 V 厚膜DC/DC 電源變換器極限評估試驗流程Fig. 1 Flowchart for experimental limit stress assessment of 100 V hybrid DC/DC converter

2.1 試驗樣品選擇與分析

2.1.1 樣品選擇

極限評估試驗樣品需要滿足以下要求：1）每個樣品有編號，以便試驗前/后的識別和比較；2）每個試驗項目的樣品不少于2 只；3）在不影響試驗結果的前提下，可考慮試驗樣品的復用，以節(jié)約成本；4）對比分組的樣品不進行任何試驗，用于試驗前/后的測試比對工作。本文選擇某單位生產(chǎn)的XXXX/100-5R-15/SP 型100 V 輸入電壓單路輸出電源變換器作為典型產(chǎn)品，開展極限評估試驗研究，為型號應用提供數(shù)據(jù)支持。

2.1.2 關鍵參數(shù)分析

根據(jù)航天器型號100 V 母線供電需求，在極限評估試驗中挑選影響設備關鍵功能和性能的器件指標作為關鍵參數(shù)，通過對比極限試驗后這些關鍵參數(shù)的變化來評價元器件性能的極限情況。依據(jù)生產(chǎn)單位提供的器件詳細規(guī)范初稿，結合應用條件，分析認為輸入/輸出電壓、轉換效率、電壓/電流調整率等參數(shù)對該器件的宇航應用影響較大，因此選取這些參數(shù)作為關鍵參數(shù)。

器件詳細規(guī)范初稿規(guī)定的絕對額定值為：輸入電壓（Vin）80～120 V；輸出電壓（Vout）4.95～5.05 V；轉換效率η≥75%；電壓調整率Sv≤1%；電流調整率SI≤1%；工作溫度（器件殼溫Tc）-55～125 ℃。

2.2 試驗項目及條件

恒定應力極限評估試驗，通?？蓞⒖荚骷傄?guī)范或相關標準中規(guī)定的試驗方法和試驗條件。步進應力極限評估試驗則根據(jù)步進應力試驗剖面設計的試驗方法和試驗條件極限進行試驗[3]。當現(xiàn)有標準不滿足評估試驗的需要或采用步進應力試驗方式進行評估時，須根據(jù)實際需求和極限評估試驗剖面的設計原則制定適合的評估試驗方法，最高應力應不超過設備的極限并且不改變試件的故障機理，最低應力應以保證合適的激發(fā)效率為原則、參照器件性能參數(shù)適當選取，并合理設定完成應力間隔、應力持續(xù)時間和應力組合優(yōu)化等[4]。

通過對元器件特性和宇航應力環(huán)境的系統(tǒng)分析，確定對宇航用100 V 厚膜DC/DC 電源變換器的極限評估試驗項目及條件（見表1）。

表 1 試驗項目及條件Table 1 The experimental items and conditions

3 試驗結果

3.1 電應力試驗結果

3.1.1 輸出特性極限試驗

由圖2 可知，DC/DC 電源變換器可在輸入電壓63～145 V內工作，且輸出電壓隨輸入電壓變化很小，無明顯趨勢。由圖3 可知，轉換效率變化的大致趨勢是，在輸入電壓63～80 V 時有所升高（相差0.9%左右），在輸入電壓80～140 V 時遞減（相差1.7%左右），在輸入電壓140 V 附近最低（約75.6%），在輸入電壓80 V 附近最高（約77.3%）。參數(shù)數(shù)據(jù)是22 只產(chǎn)品實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計平均值。

圖 2 輸出電壓與輸入電壓變化關系Fig. 2 The relation between the output voltage and the input voltage

圖 3 轉換效率與輸入電壓變化關系Fig. 3 The relation between the conversion efficiency and input voltage

3.1.2 步進過壓/欠壓工作電壓極限試驗

步進過壓工作電壓極限試驗曲線如圖4 所示，當輸入電壓為120～170 V 時，器件輸出電壓穩(wěn)定且均滿足器件詳細規(guī)范要求的4.95 V≤Vout≤5.05 V；輸入電壓＞170 V 時，輸出電壓開始隨輸入電壓增大而出現(xiàn)異常變化。步進欠壓工作電壓極限試驗曲線如圖5 所示，輸入電壓為80～62 V 時，輸出電壓穩(wěn)定且均滿足4.95 V≤Vout≤5.05 V；輸入電壓＜62 V時，輸出電壓隨輸入電壓降低而逐漸降低，當輸入電壓為60 V 時輸出電壓降至0 V。

圖 4 步進過壓工作極限試驗曲線Fig. 4 Curve of the step overvoltage limit test

圖 5 步進欠壓工作極限試驗曲線Fig. 5 Curve of the step undervoltage limit test

3.1.3 步進功率應力試驗

受本次極限試驗條件所限，未開展相應器件的步進功率應力試驗?；谠搯温份敵鲂虳C/DC 電源變換器的可靠性設計分析，包括內部元器件降額分析、最壞情況分析等，器件的最大工作功率可達19.5 W 以上，較額定工作功率（15 W）具有一定的設計裕量。

3.1.4 步進慢加電極限試驗

慢加電極限試驗曲線如圖6 所示。步進電壓為1 V，輸入電壓為0～61 V 時，電源變換器低端保護，無輸出；輸入電壓為62～170 V 時，器件輸出電壓穩(wěn)定且均滿足4.95 V≤Vout≤5.05 V，即極限輸入電壓范圍可達62～170 V，比規(guī)范要求的范圍（80～120 V）寬68 V。

圖 6 步進慢加電極限試驗曲線Fig. 6 Curve of the step slow charging limit test

3.1.5 步進輸出短路維持時間極限試驗

第1 次輸出短路維持時間為60 s，以后每次維持時間增加60 s，短路后進行測試。前0.5 h 試驗按每次維持時間增加60 s 進行，短路維持1.5 h 后按每次維持時間增加1 h 至23.5 h 為止。試驗結果：器件輸出電壓均滿足4.95 V≤Vout≤5.05 V，輸出短路維持時間超過24 h 后器件功能失效，無輸出電壓。輸出短路后輸出電壓曲線如圖7 和圖8 所示。

圖 7 步進輸出短路維持時間極限試驗曲線（前0.5 h）Fig. 7 Curve of the step output short-circuit hold time limit test (the first 0.5 h)

圖 8 步進輸出短路維持時間極限試驗曲線（1.5 h 后）Fig. 8 Curve of the step output short-circuit hold time limit test (after 1.5 h)

3.2 溫度應力試驗

3.2.1 熱性能評價試驗

按GJB 548B—2005 中方法5006 和方法1012的要求進行[5]。試驗在Tc=50 ℃（即溫控臺溫度為50 ℃）時，滿載工作（Io=3 A）和極限負載（Io=3.9 A）情況下對編號為114#、195#、200#的3 只樣品進行紅外圖像掃描，并檢測功率芯片MOS 管（代號V1）和肖特基二極管（代號V2）的整個溫度分布和結溫。結果在滿載和極限負載條件下均未發(fā)現(xiàn)存在由于不合理的設計或工藝而造成的部分區(qū)域工作溫度異常高（超過極限負載條件）致使器件功能異常。器件在極限負載功率條件下的熱性能評價見表2，其中器件最高工作溫度下的熱阻為Rth=(tj-tc)/PD。

表 2 熱性能評價Table 2 The thermal performance evaluation

3.2.2 步進低溫/高溫工作極限試驗

分別設-55 ℃和125 ℃為低溫和高溫工作的初始環(huán)境溫度，每步間距2 ℃逐步降/升溫，直到環(huán)境溫度-65 ℃、殼溫150 ℃時，每步進行輸出電壓測試，結果器件輸出電壓滿足規(guī)范要求4.85 V≤Vout≤5.15 V 的工作溫度最低可達-65 ℃、最高可達135 ℃，均超出規(guī)范要求的極限溫度10 ℃。步進低溫/高溫輸出電壓曲線如圖9 和圖10 所示。

圖 9 步進低溫工作極限試驗曲線Fig. 9 Curve of the step low temperature limit test

圖 10 步進高溫工作極限試驗曲線Fig. 10 Curve of the step high temperature limit test

3.2.3 步進熱沖擊極限試驗

按GJB 548B—2005 中方法1011 之條件C 的要求，對2 只樣品進行熱沖擊試驗，每個步進循環(huán)結束之后均將樣品置于室溫下達到穩(wěn)定狀態(tài)后再進行檢驗，并記錄測試數(shù)據(jù)。70 次試驗后器件外觀、常溫電特性、密封均正常，100 次試驗后器件外殼開裂、功能失效。

3.3 機械應力試驗

3.3.1 步進機械沖擊極限試驗

按GJB 548B—2005 中方法2002 的要求，對2 只樣品進行機械沖擊試驗，所有樣品分別在條件C（峰值加速度3000g）和條件D（峰值加速度5000g）下進行y1 方向的機械沖擊各5 次，每個步進循環(huán)結束之后均進行檢驗，并記錄測試數(shù)據(jù)。試驗后器件均合格。

3.3.2 步進隨機振動極限試驗

按GJB 548B—2005 中方法2026 的要求，對2 只樣品進行隨機振動試驗，試驗條件分別為D（10 (m/s2)2/Hz）、E（20 (m/s2)2/Hz）、F（30 (m/s2)2/Hz），每個步進循環(huán)結束之后均進行外部目檢、PIND（粒子碰撞噪聲檢測）和密封檢測，并記錄測試數(shù)據(jù)。試驗后器件狀態(tài)均正常。

3.4 試驗小結

綜上，對XXXX/100-5R-15/SP 型100 V 厚膜DC/DC 電源變換器進行電應力、溫度應力和機械應力極限試驗，結果表明該器件關鍵電性能參數(shù)具有一定裕量，符合設計預期。極限試驗結果匯總見表3。

表 3 極限試驗結果匯總Table 3 The summary of limit test results

4 結束語

本文結合宇航應用高可靠性要求，提出宇航用100 V 厚膜DC/DC 電源變換器的極限評估方法，解決了該器件相關鑒定考核不足以說明器件宇航應用的極限能力的問題。以新研某款宇航用100 V 厚膜DC/DC 電源變換器產(chǎn)品為例，依據(jù)型號應用的關鍵參數(shù)、相關極限判據(jù)和器件詳細規(guī)范初稿，開展了針對性的電應力、溫度應力、機械應力等極限試驗，結合器件的各類極限、可靠性裕量等信息確定了器件的詳細規(guī)范終稿，可為型號應用提供重要的極限性能數(shù)據(jù)。