宇航用100 V 厚膜DC/DC 電源變換器極限評(píng)估試驗(yàn)研究

肖 波，呂倩倩，谷瀚天，李培蕾，張俊峰

（1. 中國(guó)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(zhì)量、高可靠性，美國(guó)航空航天局（NASA）和歐洲空間元器件協(xié)調(diào)委員會(huì)（ESCC）制定了相關(guān)元器件的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，特別是極限試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以開展對(duì)宇航用元器件實(shí)際能力的極限摸底，掌握元器件設(shè)計(jì)或應(yīng)用裕度等可靠性信息。我國(guó)主要依托國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)和航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合新的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行宇航元器件的可靠性評(píng)價(jià)[1-2]。

DC/DC 電源變換器是航天器分布式電源結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要器件，關(guān)系航天器產(chǎn)品的安全。為了對(duì)其極限性能以及可能的失效模式進(jìn)行摸底評(píng)估，保證型號(hào)設(shè)計(jì)選用的高可靠性，有必要開展極限評(píng)估試驗(yàn)研究。

在針對(duì)宇航用100 V 厚膜DC/DC 電源變換器的極限特性測(cè)試中，主要關(guān)注電源變換器產(chǎn)品的輸入/輸出、負(fù)載及動(dòng)態(tài)參數(shù)特性，通過(guò)設(shè)置篩選測(cè)試條件和鑒定考核試驗(yàn)條件確定產(chǎn)品是否滿足相應(yīng)的規(guī)范值。但目前表征產(chǎn)品極限特性的測(cè)試與試驗(yàn)方法存在不足，特別是在模擬空間環(huán)境宇航應(yīng)用條件下的極限特性方面；而空間太陽(yáng)電池陣母線電壓不穩(wěn)定，重離子及高能粒子輻射效應(yīng)引起的工作電壓變化等會(huì)嚴(yán)重影響電源變換器的在軌工作性能。因此，本文開展針對(duì)性的電應(yīng)力、溫度應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等極限試驗(yàn)研究，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的極限試驗(yàn)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(yīng)用提供指導(dǎo)與參考。

1 極限評(píng)估試驗(yàn)?zāi)康募霸O(shè)置

極限評(píng)估試驗(yàn)主要是通過(guò)設(shè)計(jì)一系列的試驗(yàn)，獲取器件在電、力、熱等應(yīng)力作用下可承受的應(yīng)力極限值，以評(píng)估元器件實(shí)際能力與其應(yīng)用條件之間的裕量。極限是指元器件在規(guī)定時(shí)間的應(yīng)力條件下滿足要求的臨界應(yīng)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(duì)100 V 厚膜DC/DC 電源變換器的極限評(píng)估試驗(yàn)主要考查該器件的規(guī)范極限和固有極限。極限評(píng)估試驗(yàn)方式通常分為步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和恒定應(yīng)力試驗(yàn)。在宇航應(yīng)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(dòng)，故需模擬設(shè)計(jì)步進(jìn)加電應(yīng)力對(duì)DC/DC 電源變換器在欠壓、過(guò)壓和慢加電條件下的極限能力進(jìn)行摸底；負(fù)載短路會(huì)對(duì)整機(jī)系統(tǒng)造成較嚴(yán)重影響，故需對(duì)負(fù)載存在短路條件下的輸出短路極限能力進(jìn)行摸底；同時(shí)，需針對(duì)溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，通過(guò)設(shè)計(jì)極限高低溫環(huán)境和極限應(yīng)力環(huán)境來(lái)獲取器件極限能力數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)方法與程序

基于第1 章極限評(píng)估試驗(yàn)的目的及設(shè)置，設(shè)計(jì)100 V 厚膜DC/DC 電源變換器極限評(píng)估試驗(yàn)流程（如圖1 所示）。

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

2.1 試驗(yàn)樣品選擇與分析

2.1.1 樣品選擇

極限評(píng)估試驗(yàn)樣品需要滿足以下要求：1）每個(gè)樣品有編號(hào)，以便試驗(yàn)前/后的識(shí)別和比較；2）每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的樣品不少于2 只；3）在不影響試驗(yàn)結(jié)果的前提下，可考慮試驗(yàn)樣品的復(fù)用，以節(jié)約成本；4）對(duì)比分組的樣品不進(jìn)行任何試驗(yàn)，用于試驗(yàn)前/后的測(cè)試比對(duì)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?jiǎn)温份敵鲭娫醋儞Q器作為典型產(chǎn)品，開展極限評(píng)估試驗(yàn)研究，為型號(hào)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

2.1.2 關(guān)鍵參數(shù)分析

根據(jù)航天器型號(hào)100 V 母線供電需求，在極限評(píng)估試驗(yàn)中挑選影響設(shè)備關(guān)鍵功能和性能的器件指標(biāo)作為關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)對(duì)比極限試驗(yàn)后這些關(guān)鍵參數(shù)的變化來(lái)評(píng)價(jià)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(xì)規(guī)范初稿，結(jié)合應(yīng)用條件，分析認(rèn)為輸入/輸出電壓、轉(zhuǎn)換效率、電壓/電流調(diào)整率等參數(shù)對(duì)該器件的宇航應(yīng)用影響較大，因此選取這些參數(shù)作為關(guān)鍵參數(shù)。

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

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及條件

恒定應(yīng)力極限評(píng)估試驗(yàn)，通常可參考元器件總規(guī)范或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件。步進(jìn)應(yīng)力極限評(píng)估試驗(yàn)則根據(jù)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件極限進(jìn)行試驗(yàn)[3]。當(dāng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不滿足評(píng)估試驗(yàn)的需要或采用步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)方式進(jìn)行評(píng)估時(shí)，須根據(jù)實(shí)際需求和極限評(píng)估試驗(yàn)剖面的設(shè)計(jì)原則制定適合的評(píng)估試驗(yàn)方法，最高應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)設(shè)備的極限并且不改變?cè)嚰墓收蠙C(jī)理，最低應(yīng)力應(yīng)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(dāng)選取，并合理設(shè)定完成應(yīng)力間隔、應(yīng)力持續(xù)時(shí)間和應(yīng)力組合優(yōu)化等[4]。

通過(guò)對(duì)元器件特性和宇航應(yīng)力環(huán)境的系統(tǒng)分析，確定對(duì)宇航用100 V 厚膜DC/DC 電源變換器的極限評(píng)估試驗(yàn)項(xiàng)目及條件（見表1）。

表 1 試驗(yàn)項(xiàng)目及條件Table 1 The experimental items and conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 電應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 輸出特性極限試驗(yàn)

由圖2 可知，DC/DC 電源變換器可在輸入電壓63～145 V內(nèi)工作，且輸出電壓隨輸入電壓變化很小，無(wú)明顯趨勢(shì)。由圖3 可知，轉(zhuǎn)換效率變化的大致趨勢(shì)是，在輸入電壓63～80 V 時(shí)有所升高（相差0.9%左右），在輸入電壓80～140 V 時(shí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值。

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

圖 3 轉(zhuǎn)換效率與輸入電壓變化關(guān)系Fig. 3 The relation between the conversion efficiency and input voltage

3.1.2 步進(jìn)過(guò)壓/欠壓工作電壓極限試驗(yàn)

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

圖 4 步進(jìn)過(guò)壓工作極限試驗(yàn)曲線Fig. 4 Curve of the step overvoltage limit test

圖 5 步進(jìn)欠壓工作極限試驗(yàn)曲線Fig. 5 Curve of the step undervoltage limit test

3.1.3 步進(jìn)功率應(yīng)力試驗(yàn)

受本次極限試驗(yàn)條件所限，未開展相應(yīng)器件的步進(jìn)功率應(yīng)力試驗(yàn)?；谠搯温份敵鲂虳C/DC 電源變換器的可靠性設(shè)計(jì)分析，包括內(nèi)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(dá)19.5 W 以上，較額定工作功率（15 W）具有一定的設(shè)計(jì)裕量。

3.1.4 步進(jìn)慢加電極限試驗(yàn)

慢加電極限試驗(yàn)曲線如圖6 所示。步進(jìn)電壓為1 V，輸入電壓為0～61 V 時(shí)，電源變換器低端保護(hù)，無(wú)輸出；輸入電壓為62～170 V 時(shí)，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(dá)62～170 V，比規(guī)范要求的范圍（80～120 V）寬68 V。

圖 6 步進(jìn)慢加電極限試驗(yàn)曲線Fig. 6 Curve of the step slow charging limit test

3.1.5 步進(jìn)輸出短路維持時(shí)間極限試驗(yàn)

第1 次輸出短路維持時(shí)間為60 s，以后每次維持時(shí)間增加60 s，短路后進(jìn)行測(cè)試。前0.5 h 試驗(yàn)按每次維持時(shí)間增加60 s 進(jìn)行，短路維持1.5 h 后按每次維持時(shí)間增加1 h 至23.5 h 為止。試驗(yàn)結(jié)果：器件輸出電壓均滿足4.95 V≤Vout≤5.05 V，輸出短路維持時(shí)間超過(guò)24 h 后器件功能失效，無(wú)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(jìn)輸出短路維持時(shí)間極限試驗(yàn)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(jìn)輸出短路維持時(shí)間極限試驗(yàn)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(yīng)力試驗(yàn)

3.2.1 熱性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

按GJB 548B—2005 中方法5006 和方法1012的要求進(jìn)行[5]。試驗(yàn)在Tc=50 ℃（即溫控臺(tái)溫度為50 ℃）時(shí)，滿載工作（Io=3 A）和極限負(fù)載（Io=3.9 A）情況下對(duì)編號(hào)為114#、195#、200#的3 只樣品進(jìn)行紅外圖像掃描，并檢測(cè)功率芯片MOS 管（代號(hào)V1）和肖特基二極管（代號(hào)V2）的整個(gè)溫度分布和結(jié)溫。結(jié)果在滿載和極限負(fù)載條件下均未發(fā)現(xiàn)存在由于不合理的設(shè)計(jì)或工藝而造成的部分區(qū)域工作溫度異常高（超過(guò)極限負(fù)載條件）致使器件功能異常。器件在極限負(fù)載功率條件下的熱性能評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)Table 2 The thermal performance evaluation

3.2.2 步進(jìn)低溫/高溫工作極限試驗(yàn)

分別設(shè)-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(shí)，每步進(jìn)行輸出電壓測(cè)試，結(jié)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(dá)-65 ℃、最高可達(dá)135 ℃，均超出規(guī)范要求的極限溫度10 ℃。步進(jìn)低溫/高溫輸出電壓曲線如圖9 和圖10 所示。

圖 9 步進(jìn)低溫工作極限試驗(yàn)曲線Fig. 9 Curve of the step low temperature limit test

圖 10 步進(jìn)高溫工作極限試驗(yàn)曲線Fig. 10 Curve of the step high temperature limit test

3.2.3 步進(jìn)熱沖擊極限試驗(yàn)

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

3.3 機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)

3.3.1 步進(jìn)機(jī)械沖擊極限試驗(yàn)

按GJB 548B—2005 中方法2002 的要求，對(duì)2 只樣品進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn)，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(jìn)行y1 方向的機(jī)械沖擊各5 次，每個(gè)步進(jìn)循環(huán)結(jié)束之后均進(jìn)行檢驗(yàn)，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)后器件均合格。

3.3.2 步進(jìn)隨機(jī)振動(dòng)極限試驗(yàn)

按GJB 548B—2005 中方法2026 的要求，對(duì)2 只樣品進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)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(gè)步進(jìn)循環(huán)結(jié)束之后均進(jìn)行外部目檢、PIND（粒子碰撞噪聲檢測(cè)）和密封檢測(cè)，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)后器件狀態(tài)均正常。

3.4 試驗(yàn)小結(jié)

綜上，對(duì)XXXX/100-5R-15/SP 型100 V 厚膜DC/DC 電源變換器進(jìn)行電應(yīng)力、溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力極限試驗(yàn)，結(jié)果表明該器件關(guān)鍵電性能參數(shù)具有一定裕量，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。極限試驗(yàn)結(jié)果匯總見表3。

表 3 極限試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 3 The summary of limit test results

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合宇航應(yīng)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(píng)估方法，解決了該器件相關(guān)鑒定考核不足以說(shuō)明器件宇航應(yīng)用的極限能力的問(wèn)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(hào)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)、相關(guān)極限判據(jù)和器件詳細(xì)規(guī)范初稿，開展了針對(duì)性的電應(yīng)力、溫度應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等極限試驗(yàn)，結(jié)合器件的各類極限、可靠性裕量等信息確定了器件的詳細(xì)規(guī)范終稿，可為型號(hào)應(yīng)用提供重要的極限性能數(shù)據(jù)。