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耐辐射性已成为新太空卫星设计的新难题

Vicor 的电源模块具有功率密度高、可靠且可扩展等特点，是新太空中低轨道（MEO 和 LEO）卫星的完美解决方案。让我们一起来了解一下软开关在耐辐射电源系统中的诸多优势。

作者：Salah Ben Doua，首席应用工程师；Ken Coffman，高级现场应用工程师

虽然半导体器件的选择是为太空应用开发耐辐射电源系统的核心，但它只是可部署在组件和电路层面的众多设计策略之一。本文将讨论在耐辐射电源系统中采用软开关的基本策略及多种优势。

要想开发能够在太空中可靠运行的卫星电力电子系统，工程师们需要克服多方面的挑战。没有了地球磁场，卫星很难使高能粒子偏转。此外，没有地球大气层屏障的保护，空间系统会暴露在更大强度的波辐射及粒子辐射中，最终导致组件甚至整个系统故障。另一个问题是散热，因为对流散热在太空中不管用，所以只能通过将热量传导至表面后辐射散掉。

在此背景下，所谓的新太空应用通过一些手段，例如降低总电离辐射剂量暴露标准，来表明它们能够采用 “耐辐射”组件，而不需要更坚固的抗辐射“加固”电路。然而，辐射损坏是累积的，因此任务时间长短是决定所受的辐射强度的一个因素，卫星的轨道位置也会有影响。

减轻粒子辐射的影响

波辐射包括射线和电磁波。一般来说，波辐射的属性与光的属性相似，包括反射、吸收、折射和传播。然而，太空中的辐射波长可延伸到可见光光谱的上方和下方。能见度以下的辐射包括微波和射频（RF），能见度以上的辐射包括紫外线、X 射线和伽马射线。在图1中，注意波长和相关能量，这是测量辐射暴露的关键参数。

图 1：这张图展示了辐射光谱。

波辐射和粒子辐射实际上并不是两个独立的东西，但它们对电子系统的影响有所不同。单个粒子的质量很小，但可以加速到很高的速度。此外，它们还可以携带电荷，当负电荷电子从原子轨道剥离时，通常为正电荷。

通过粒子辐射，我们可以看到物理损坏，特别是对半导体晶体晶格的损坏。这种损坏是永久性和/或累积性的。在电子被拖入损耗区，使非导电区导电的地方，会出现暂时性的破坏。正离子取代晶体基质中的掺杂原子时，也会造成故障，有时会使半导体在错误的时间或地方导电，最终造成设备的永久性损坏。

太空真空中的另一个影响因素是，我们用于在地面散热的有效对流不起作用。传导的作用是传播热能，但多余的热量最终必须辐射到寒冷的太空中。一个复杂的因素是，暴露在阳光下的表面温度会变得非常高，大约为 250˚F (120˚C)，而阴影覆盖的表面则非常冷，大约为 -238˚F (-150˚C)。

构建坚固的耐辐射电源电子元器件

即使在当前快节奏的新太空商业环境中，发射和更换报废卫星的成本也非常高昂，因此谨慎设计尤为重要。

怎么实现这一目标？答案不止一个，创建坚固的航空电子系统的解决方案是多方面的。

首先，选择具有耐辐射性的组件。一些业界一流的半导体工艺节点提高了耐辐射性。双极性半导体可根据其位移损坏等级进行选择。可以选择本来就耐辐射的宽带隙（氮化镓，GaN）FET（场效应晶体管）。有些部件根本不适合在太空环境中使用，如某些环氧树脂和铝电解质电容器，它们会在真空中释放气体。

物理冗余也很重要，确保一个系统发生故障时可以让另一个系统来接管。在一些系统中，有三个系统并行运行。如果其中一个与另外两个不一致，其输出可以忽略。有时提供有四个冗余系统，如果一个系统出现故障，可换用一个备用系统。即使有了这些保障，耐辐射设计要求也会限制组件的选择。性能监视器、安全保护机制、电源断开和复位电路的增加不能导致最终解决方案的效率、尺寸和重量超出要求。

拓扑选择和开关模式的影响

通过选择合适的电源系统架构来平衡设计折中很重要。拓扑和开关模式，如软开关（相对于硬开关电源转换器），可以使系统对振荡等寄生效应不那么敏感；振荡会增加开关组件上的电压应力。

拓扑选择是新太空设计中的重要实例，开关模式会影响电源转换执行的所有重要规范，其中包括功率密度、效率、瞬态响应、输出纹波、电磁干扰（EMI）释放及成本等。

主要开关损耗项可归因为供电链高端 MOSFET [金属氧化物半导体场效应晶体管] 通过栅极充电要求及漏-源电容的导通行为。开关损耗随开关频率的增加而增加，从而可限制开关频率。体内二极管导通损耗将进一步降低硬开关转换器的电源转换效率。虽然 GaN FET 没有物理体内二极管，但确实有几伏特的反向传导模式钳位，因此很难管理 GaN 死区传导期。

在同步硬开关降压拓扑中，高侧 MOSFET 在其电压最大（见图 2）并在接通部分工作周期过程中传导最大电流时接通。因此，高侧开关的功耗在开关切换过程中达到最大值。输入电压越高，功耗越高，因此在相同的转换器中，高电压比应用的转换器（例如，28V 至 3.3V）的效率往往比在要求较低转换比（例如，5V 至 2.5V）的电路中的低。

图 2：拓扑寄生效应。

软开关的优势

替代方案（软开关）将大幅降低这些开关损耗。软开关技术需要的控制电路更复杂，因为开关时序必须与开关波形协调。

软开关的一个实例是零电压开关（ZVS）技术，可提高一系列电源拓扑间的转换效率。顾名思义，当开关的电压为零或接近零时，ZVS 会高侧 MOSFET 上实现（见图 3a）。这在高侧 MOSFET 导通间隔期间打破功耗与电压转换比之间的联系。支持 ZVS 技术的钳位开关允许转换器在高低侧开关都关闭时，在输出电感器中存储少量能量。转换器可使用这种在其它方面浪费的能量为高侧 MOSFET 的寄生电容放点，并同步 MOSFET 的寄生电容充电。

将 MOSFET 的寄生电容从开关的导通行为中去除，可降低 MOSFET 针对栅漏电容（CGD）进行选择的敏感性，因此设计人员可将工作重心从导通电阻与栅极电容等传统品质因数转向导通电阻。

这种在接通过程中驱动高侧 MOSFET 的方法可以避免刺激开关寄生电感和电容；这些电感和电容易产生谐振，在硬开关拓扑中诱导大型电压尖峰和振荡（图 3b）。通过消除尖峰并防止振荡（见图 3a），ZVS 不仅可消除功耗项，而且还可消除 EMI 发射源。

此外，从开关行为中消除电压尖峰可让设计人员选择导通电阻RDS_(on)较低的较低电压 MOSFET，从而提高效率。

Hard-switching versus soft-switching waveforms image

图 3：硬开关与软开关波形对比。

软开关的功能非常广泛。例如，Vicor 在其耐辐射电源模块解决方案中使用软开关技术，为专门用于中低轨道卫星应用的高性能通信 ASIC（专用集成电路）供电（见图 4）。这些系统模块使用 ZVS 升降压拓扑，为 BCM® 和 VTM™ 的 PRM™、ZVS 及 ZCS 正弦振幅转换器（SAC）提供支持。

VTM 尺寸很小，可以尽可能靠近 ASIC部署。在应对当代ASIC、FPGA（现场可编程门阵列）、CPU（中央处理器）和 GPU（图形处理器）消耗的大电流时，优化供电网络（PDN）至关重要。Vicor模块将软开关解决方案、耐辐射有源组件和车规级无源组件进行了完美结合。

为了缓解单一事件功能中断（SEFI）问题，所有耐辐射模块都包括并联运行的全冗余供电链。如果一个供电链因单个事件而出现故障，其保护电路会强制进行断电复位。在复位间隔期间，冗余供电链将承担全部负载；而完成复位后，两个供电链将再次并联运行。

High-power resonant (ZVS and ZCS) topology modules image

图 4：高功率谐振（ZVS 和 ZCS）拓扑模块。

最后的结论：耐辐射电子系统很难设计。

本文最初由 Millitary Embedded Systems 发表。

Salah Ben Doua，首席应用工程师，在电源设计领域拥有 30 年的丰富经验，为 Vicor 客户提供支持已有 20 余载，主要为包括航空航天与国防、工业、铁路、照明与通信在内的众多领域的 DC-DC 和 AC-DC 电源系统开发提供专业技术及咨询。Salah 毕业于图卢兹国家理工学院 (the National Polytechnic Institute of Toulouse)，获电源转换专业博士学位。