文章

耐輻射性已成為新太空衛星設計的新難題

Vicor 的電源模組具有功率密度高、可靠且可擴展等特點，是新太空中低軌道（MEO 和 LEO）衛星的完美解決方案。讓我們一起來瞭解一下軟開關在耐輻射電源系統中的諸多優勢。

作者：Salah Ben Doua，首席應用工程師； Ken Coffman，高級現場應用工程師

雖然半導體器件的選擇是為太空應用開發耐輻射電源系統的覈心，但它只是可部署在組件和電路層面的眾多設計策略之一。本文將討論在耐輻射電源系統中採用軟開關的基本策略及多種優勢。

要想開發能够在太空中可靠運行的衛星電力電子系統，工程師們需要克服多方面的挑戰。沒有了地球磁場，衛星很難使高能粒子偏轉。此外，沒有地球大氣層屏障的保護，空間系統會暴露在更大强度的波輻射及粒子輻射中，最終導致組件甚至整個系統故障。另一個問題是散熱，因為對流散熱在太空中不管用，所以只能通過將熱量傳導至表面後輻射散掉。

在此背景下，所謂的新太空應用通過一些手段，例如降低總電離輻射劑量暴露標準，來表明它們能够採用“耐輻射”組件，而不需要更堅固的抗輻射“加固”電路。然而，輻射損壞是累積的，因此任務時間長短是决定所受的輻射强度的一個因素，衛星的軌道位置也會有影響。

減輕粒子輻射的影響

波輻射包括射線和電磁波。一般來說，波輻射的内容與光的内容相似，包括反射、吸收、折射和傳播。然而，太空中的輻射波長可延伸到可見光光譜的上方和下方。能見度以下的輻射包括微波和射頻（RF），能見度以上的輻射包括紫外線、X 射線和伽馬射線。在圖 1 中，注意波長和相關能量，這是量測輻射暴露的關鍵參數。

圖 1：這張圖展示了輻射光譜。

波輻射和粒子輻射實際上並不是兩個獨立的東西，但它們對電子系統的影響有所不同。單個粒子的質量很小，但可以加速到很高的速度。此外，它們還可以攜帶電荷，當負電荷電子從原子軌道剝離時，通常為正電荷。

通過粒子輻射，我們可以看到物理損壞，特別是對電晶體晶體晶格的損壞。這種損壞是永久性和/或累積性的。在電子被拖入損耗區，使非導電區導電的地方，會出現暫時性的破壞。正離子取代晶體基質中的摻雜原子時，也會造成故障，有時會使電晶體在錯誤的時間或地方導電，最終造成設備的永久性損壞。

太空真空中的另一個影響因素是，我們用於在地面散熱的有效對流不起作用。傳導的作用是傳播熱能，但多餘的熱量最終必須輻射到寒冷的太空中。一個複雜的因素是，暴露在陽光下的表面溫度會變得非常高，大約為 250˚F（120˚C），而陰影覆蓋的表面則非常冷，大約為 -238˚F（-150˚C）。

構建堅固的耐輻射電源電子元器件

即使在當前快節奏的新太空商業環境中，發射和更換報廢衛星的成本也非常高昂，因此謹慎設計尤為重要。

怎麼實現這一目標？答案不止一個，創建堅固的航空電子系統的解決方案是多方面的。

首先，選擇具有耐輻射性的組件。一些業界一流的電晶體工藝節點提高了耐輻射性。雙極性電晶體可根據其位移損壞等級進行選擇。可以選擇本來就耐輻射的寬帶隙（氮化鎵，GaN）FET（場效應電晶體）。有些部件根本不適合在太空環境中使用，如某些環氧樹脂和鋁電解質電容器，它們會在真空中釋放氣體。

物理冗餘也很重要，確保一個系統發生故障時可以讓另一個系統來接管。在一些系統中，有三個系統並行運行。如果其中一個與另外兩個不一致，其輸出可以忽略。有時提供有四個冗餘系統，如果一個系統出現故障，可換用一個備用系統。即使有了這些保障，耐輻射設計要求也會限制組件的選擇。效能監視器、安全保護機制、電源斷開和復位電路的新增不能導致最終解決方案的效率、尺寸和重量超出要求。

拓撲選擇和開關模式的影響

通過選擇合適的電源系統架構來平衡設計折中很重要。拓撲和開關模式，如軟開關（相對於硬開關電源轉換器），可以使系統對振盪等寄生效應不那麼敏感；振盪會新增開關組件上的電壓應力。

拓撲選擇是新太空設計中的重要實例，開關模式會影響電源轉換執行的所有重要規範，其中包括功率密度、效率、瞬態回應、輸出紋波、電磁干擾（EMI）釋放及成本等。

主要開關損耗項可歸因為供電鏈高端 MOSFET[金屬氧化物半導體場效應電晶體]通過柵極充電要求及漏-源電容的導通行為。開關損耗隨開關頻率的新增而新增，從而可限制開關頻率。體內二極體導通損耗將進一步降低硬開關轉換器的電源轉換效率。雖然 GaN FET 沒有物理體內二極體，但確實有幾伏特的反向傳導模式鉗比特，因此很難管理 GaN 死區傳導期。

在同步硬開關降壓拓撲中，高側 MOSFET 在其電壓最大（見圖 2）並在接通部分工作週期過程中傳導最大電流時接通。因此，高側開關的功耗在開關切換過程中達到最大值。輸入電壓越高，功耗越高，因此在相同的轉換器中，高電壓比應用的轉換器（例如，28V 至 3.3V）的效率往往比在要求較低轉換比（例如，5V 至 2.5V）的電路中的低。

圖 2：拓撲寄生效應。

軟開關的優勢

替代方案（軟開關）將大幅降低這些開關損耗。軟開關技術需要的控制電路更複雜，因為開關時序必須與開關波形協調。

軟開關的一個實例是零電壓開關（ZVS）技術，可提高一系列電源拓撲間的轉換效率。顧名思義，當開關的電壓為零或接近零時，ZVS 會高側 MOSFET 上實現（見圖 3a）。這在高側 MOSFET 導通間隔期間打破功耗與電壓轉換比之間的聯系。支持 ZVS 技術的鉗比特開關允許轉換器在高低側開關都關閉時，在輸出電感器中存儲少量能量。轉換器可使用這種在其它方面浪費的能量為高側 MOSFET 的寄生電容放點，並同步 MOSFET 的寄生電容充電。

將 MOSFET 的寄生電容從開關的導通行為中去除，可降低 MOSFET 針對栅漏電容（CGD）進行選擇的敏感性，因此設計人員可將工作重心從導通電阻與柵極電容等傳統品質因數轉向導通電阻。

這種在接通過程中驅動高側 MOSFET 的方法可以避免刺激開關寄生電感和電容；這些電感和電容易產生諧振，在硬開關拓撲中誘導大型電壓尖峰和振盪（圖 3b）。通過消除尖峰並防止振盪（見圖 3a），ZVS 不僅可消除功耗項，而且還可消除 EMI 發射源。

此外，從開關行為中消除電壓尖峰可讓設計人員選擇導通電阻 RDS_(on)較低的較低電壓 MOSFET，從而提高效率。

Hard-switching versus soft-switching waveforms image

圖 3：硬開關與軟開關波形對比。

軟開關的功能非常廣泛。例如，Vicor 在其耐輻射電源模組解決方案中使用軟開關技術，為專門用於中低軌道衛星應用的高效能通訊 ASIC（專用集成電路）供電（見圖 4）。這些系統模組使用ZVS升降壓拓撲，為 BCM® 和 VTM™ 的 PRM™、ZVS 及 ZCS 正弦振幅轉換器（SAC）提供支援。

VTM 尺寸很小，可以盡可能靠近 ASIC 部署。在應對當代 ASIC、FPGA（現場可程式設計閘陣列）、CPU（中央處理器）和 GPU（圖形處理器）消耗的大電流時，優化供電網路（PDN）至關重要。 Vicor 模組將軟開關解決方案、耐輻射有源組件和車規級無源組件進行了完美結合。

為了緩解單一事件功能中斷（SEFI）問題，所有耐輻射模組都包括並聯運行的全冗餘供電鏈。如果一個供電鏈因單個事件而出現故障，其保護電路會強制進行斷電復位。在復位間隔期間，冗餘供電鏈將承擔全部負載；而完成復位後，兩個供電鏈將再次並聯運行。

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

圖 4：高功率諧振（ZVS 和 ZCS）拓撲模組。

最後的結論：耐輻射電子系統很難設計。

本文最初由 Millitary Embedded Systems 發表。

Salah Ben Doua，首席應用工程師，在電源設計領域擁有 30 年的豐富經驗，為 Vicor 客戶提供支持已有 20 餘載，主要為包括航空航太與國防、工業、鐵路、照明與通訊在內的眾多領域的 DC-DC 和 AC-DC 電源系統開發提供專業技術及諮詢。 Salah 畢業於圖盧茲國家理工學院（the National Polytechnic Institute of Toulouse），獲電源轉換專業博士學位。