測月雷達用高壓特種直流/直流變換器技術研究

王　儒，張明華，孫清曉（中國空間技術研究院北京衛星制造廠，北京100190）

測月雷達用高壓特種直流/直流變換器技術研究

王儒，張明華，孫清曉
（中國空間技術研究院北京衛星制造廠，北京100190）

針對高壓特種直流/直流變換器須滿足啟動過沖小于1%的要求和月球探測環境下高壓輸出放電的問題，設計了輸出電壓緩起電路和多級升壓電路，保證直流/直流變換器在低氣壓環境下的可靠工作，并且通過了測月雷達高壓供電任務的驗證，可為后續深空探測有效載荷的高壓特種直流/直流變換器設計提供支持。

高壓；過沖；放電

1　引言

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

傳統電源采用工頻高壓電源和LC諧振充電方式，雖簡單可靠，但體積重量難以滿足深空探測的需求，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域研發。同時，航天器高真空、超低溫等苛刻的工作環境，以及高壓特種電源體積小、質量輕等苛刻的技術指標要求，給高壓特種電源在電路設計、結構設計、熱設計、高壓輸出工藝等方面提出了新的挑戰。

2　高壓特種電源設計關鍵技術

由于高壓特種電源的負載對供電電壓質量要求比較高，特別是供電電壓超過工作電壓時，將導致設備的損壞。而直流/直流變換器在啟動時，輸出電壓會有一定程度的過沖，如果控制不當，過沖電壓將損壞設備。因此控制直流/直流變換器啟動過程，將成為設計高壓特種電源的一項關鍵技術。同時，為了避免在真空環境中的電壓擊穿問題，在電路設計、工藝設計方面，高壓特種電源也有別于傳統的低壓電源。

2.1緩起電路設計

為了解決高壓特種電源的低啟動過沖問題，現有多種方法，如優選拓撲、加大輸出電容容量和優化控制電路［2-3］。對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。傳統緩起電路復雜，占有體積較大，而要想達到最優的啟動過沖必須對緩起電路進行重新設計。

為了實現高電壓輸出、低啟動過沖，緩起電路必須簡單可靠，因此設計了一種外加阻容電路結構，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，從而達到低啟動過沖的目的。

緩起電路如圖1所示，控制芯片上電后，芯片參考電壓Vref經阻容網絡對C1進行充電，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，避免了啟動時的過沖。通過調節C1的電容量來控制電源的啟動速度，滿足低啟動過沖技術指標。

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

新設計的緩起電路與現有技術相比有如下優點：

1）控制方法簡單可靠，利用控制芯片內部集成的誤差放大器即可實現緩啟，而傳統的緩起電路需專用芯片，且需專門的外部供電。本設計可以省略專用芯片，簡化了電路設計。

2）外接電路簡單，不需要外接輔助電源。同時可通過調節外部電路的阻容參數來實現低啟動過沖，具有可靠性高，節約體積、重量和經濟成本的優點。

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

4）該控制方法適應性寬，可以適應任何拓撲電路，滿足低啟動過沖的技術要求，同時由于該電路只采用了電阻、電容等對輻照不敏感器件，可以應用于高軌道、長壽命衛星。

圖2為輸出電壓啟動實測波形，從實測波形可以看出，較好的滿足了高電壓輸出、低啟動過沖的要求。較小的啟動過沖延長了相應的啟動時間（≤50 ms），滿足設備的使用要求。

圖2　輸出電壓啟動實測波形Fig.2 Measured waveform of starting output voltage

2.2多級升壓電路設計

為了降低高壓特種電源輸出端器件電壓應力，輸出端電路拓撲采用兩級升壓模式，如圖3所示，使單級輸出降為輸出電壓的1/2，從而擴大了器件的選用范圍，也有利于工藝實施，提高了電源的可靠性。

圖3　多級輸出高壓輸出拓撲Fig.3 High-voltage output topology in multi-series

高壓特種電源電路選用反激設計，反激拓撲由于輸出端沒有濾波電感，在高壓場合下很有優勢，此外，反激拓撲不需要高壓續流二極管，使它在高電壓場合應用更有利［4］。采用兩級串聯模式更進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次級繞組，在開關管關斷的時候將變壓器電感中存儲的能量傳遞到副邊，從而實現能量傳輸和電器隔離。具體工作原理為：功率MOS管Q1導通時，所有繞組同名端相對于異名端為負，輸入端將能量儲存在變壓器T1中，輸出整流二極管反偏，電容C2～C5單獨向負載供電；功率MOS管Q1關斷時，儲存在變壓器T1中的能量向負載供電，同時向電容C2～C5充電。電容的選擇應保證提供負載電流的同時能夠滿足輸出電壓紋波和壓降的要求。

2.3高壓功率變壓器設計

應用在高壓情況下時，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，這樣在加工時更容易實現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險。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施，磁環首先纏繞絕緣材料進行磁芯與繞組的絕緣，然后層間和繞組間也進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。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。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熱設計及優化技術

根據高壓特種電源技術要求，電源的工作溫度：-40℃～+80℃。

關鍵發熱元器件功耗核算如下：

1）功率MOS管

根據任務要求，高壓特種電源輸入電壓為15 V時，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導通電阻，Dmax表示功率MOS導通占空比。

開關管驅動損耗P（Q）如式（2）：

式中：Qg表示功率MOS管結電荷，Vgss表示功率MOS驅動電壓，f表示功率MOS功率頻率。

開關管開通與關斷損耗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開通時間，tf表示功率MOS關斷時間。

2013年，在水利部黨組的正確領導下，發展研究中心認真學習貫徹黨的十八大和十八屆三中全會精神，緊緊圍繞水利改革發展大局大勢，緊緊圍繞中央治水決策部署深入落實，緊緊圍繞民生水利理念實踐發展，著力抓好政策咨詢、基礎研究和能力建設，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表示二極管導通占空比。

整流二極管的開關功耗PSWD（D1）如式（5）：

式中：VR表示二極管反向恢復電壓，IRR（PEAK）表示二極管正向峰值電流，trr表示二極管反向恢復時間。

熱仿真采用國際通用的電子散熱專用分析軟件FLOTHERM。

當高壓特種電源工作在真空環境，其底面控溫為81℃的時候，產品熱分析圖如圖5、所示，元器件熱仿真數據數據如表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）其散熱主要依靠兩個較細的引腳向印制板傳熱，其封裝尺寸如圖5所示，熱路徑較長；

3）該元器件用在高壓上，印制板下無法大面積覆銅，導熱率低。

表1　熱仿真數據表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，適當增大覆銅層無法實施，采取了在高壓二極管下方涂抹導熱硅橡膠，增大散熱面積。如表2所示，熱仿真和實測結果較好的滿足了電源的要求，大幅降低器件的結溫，提高了高壓特種電源的使用壽命。

表2　熱仿真和實測數據表Table 2 Datasheet of thermal emulation and realmeasurement

2.5高壓特種工藝技術分析

為了保證高壓特種電源的應用需求，防止在真空環境中器件被高壓損壞，除了在電路設計上采用多級升壓的反激拓撲結構外，在高壓特種電源工藝上也進行了防護：

1）電氣間距控制

根據航天五院編制的《50V～250V設計和工藝技術要求》［5］，涂覆后的導體，電位差為50 V至100 V時，最小電氣間距為0.13 mm；電位差為101 V至250 V時，最小電氣間距為0.4 mm。高壓特種電源裸機采取三防漆噴涂，所以高壓輸出屬于涂覆后的導體。實際設計中，高壓輸出與機殼及其它器件間距≥3 mm。

2）高壓焊點防護

防止低氣壓環境下高壓放電的產生，在超高電壓情況下，超高壓焊點應使元器件引線的尖銳邊緣完全被連續、光滑的焊錫層全部覆蓋，或形成一個球形焊點，且球形焊點不超過指定的高度要求。不存在暴露引線的尖銳邊緣，焊點拉尖或夾雜（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，超高壓焊點的情況通常在覆形涂敷應用后再采用刷涂的方法將絕緣間隙進行補刷。

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

3　高壓特種電源工程應用及研制

按照用戶要求，研制了六臺高壓特種電源，產品主要技術指標如表3所示。通過表3可知，高壓特種電源關鍵特性指標一致性較好，并且滿足了深空探測輕量化、小型化的要求。

表3　主要技術指標比較Table 3 Comparison ofmajor technical requirements

使用該高壓特種電源供電的月球探測某特種型號在軌工作正常，圓滿完成了型號任務，驗證了設計的高壓特種電源工作的可靠性，為后續深空探測提供了技術儲備。

4　結論

論述了測月雷達用高壓特種電源的研制，重點解決了高壓特種電源研制過程中五大技術難點問題：緩起電路設計技術、多級升壓電路設計、高壓功率變壓器設計、熱設計及優化技術分析以及高壓特種工藝技術分析。并進行了探月驗證，驗證結果表明：高壓特種電源圓滿完成了探月任務要求，并為后續深空探測有效載荷的高壓特種電源設計提供了支持。

［1］馬世俊.衛星電源技術［M］.北京：中國宇航出版社，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.開關電源設計［M］.王志強，譯.北京：電子工業出版社，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.開關電源的原理與設計［M］.北京：電子工業出版社，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設計和工藝技術要求［S］.北京：中國空間技術研究院，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，研究方向為星載電源技術。E-mail：wangru@nuaa.edu.cn