测月雷达用高压特种直流/直流变换器技术研究

王　儒，张明华，孙清晓（中国空间技术研究院北京卫星制造厂，北京100190）

测月雷达用高压特种直流/直流变换器技术研究

王儒，张明华，孙清晓
（中国空间技术研究院北京卫星制造厂，北京100190）

针对高压特种直流/直流变换器须满足启动过冲小于1%的要求和月球探测环境下高压输出放电的问题，设计了输出电压缓起电路和多级升压电路，保证直流/直流变换器在低气压环境下的可靠工作，并且通过了测月雷达高压供电任务的验证，可为后续深空探测有效载荷的高压特种直流/直流变换器设计提供支持。

高压；过冲；放电

1　引言

随着航天技术的飞速发展，航天器电源系统出现了为雷达等特种设备提供高压输出的特种直流/直流变换器（以下简称电源）［1］，电源供电电压达1000 V以上。某些专用航天器的高压特种电源还具有低启动过冲、体积小、重量轻等要求，这就给设计增加了极大的难度，要求电源的设计方法不断的改进。

传统电源采用工频高压电源和LC谐振充电方式，虽简单可靠，但体积重量难以满足深空探测的需求，若要减小体积和减轻重量，需将电源高频化，而高频化高压特种电源属于新领域研发。同时，航天器高真空、超低温等苛刻的工作环境，以及高压特种电源体积小、质量轻等苛刻的技术指标要求，给高压特种电源在电路设计、结构设计、热设计、高压输出工艺等方面提出了新的挑战。

2　高压特种电源设计关键技术

由于高压特种电源的负载对供电电压质量要求比较高，特别是供电电压超过工作电压时，将导致设备的损坏。而直流/直流变换器在启动时，输出电压会有一定程度的过冲，如果控制不当，过冲电压将损坏设备。因此控制直流/直流变换器启动过程，将成为设计高压特种电源的一项关键技术。同时，为了避免在真空环境中的电压击穿问题，在电路设计、工艺设计方面，高压特种电源也有别于传统的低压电源。

2.1缓起电路设计

为了解决高压特种电源的低启动过冲问题，现有多种方法，如优选拓扑、加大输出电容容量和优化控制电路［2-3］。对于高电压输出的电源而言，增加缓起电路是降低输出电压过冲的一条有效途径。传统缓起电路复杂，占有体积较大，而要想达到最优的启动过冲必须对缓起电路进行重新设计。

为了实现高电压输出、低启动过冲，缓起电路必须简单可靠，因此设计了一种外加阻容电路结构，电路通过控制芯片误差放大器输出端来控制芯片的缓起，使输出电压缓慢建立，从而达到低启动过冲的目的。

缓起电路如图1所示，控制芯片上电后，芯片参考电压Vref经阻容网络对C1进行充电，电容C1电压缓慢上升，作为输出电压给定的误差放大器输出端电压Vcomp也缓慢上升，从而控制输出电压缓慢上升，避免了启动时的过冲。通过调节C1的电容量来控制电源的启动速度，满足低启动过冲技术指标。

图1　缓起电路示意图Fig.1 Prototype of soft start circuit

新设计的缓起电路与现有技术相比有如下优点：

1）控制方法简单可靠，利用控制芯片内部集成的误差放大器即可实现缓启，而传统的缓起电路需专用芯片，且需专门的外部供电。本设计可以省略专用芯片，简化了电路设计。

2）外接电路简单，不需要外接辅助电源。同时可通过调节外部电路的阻容参数来实现低启动过冲，具有可靠性高，节约体积、重量和经济成本的优点。

3）控制方法充分利用电容容值越大，充电速度越慢的特性，对可能提出的低启动过冲的技术要求，通过简单外接电路的固有属性确保电路能满足技术要求，理论上通过加大电容值可以达到启动过冲为零，即无过冲。

4）该控制方法适应性宽，可以适应任何拓扑电路，满足低启动过冲的技术要求，同时由于该电路只采用了电阻、电容等对辐照不敏感器件，可以应用于高轨道、长寿命卫星。

图2为输出电压启动实测波形，从实测波形可以看出，较好的满足了高电压输出、低启动过冲的要求。较小的启动过冲延长了相应的启动时间（≤50 ms），满足设备的使用要求。

图2　输出电压启动实测波形Fig.2 Measured waveform of starting output voltage

2.2多级升压电路设计

为了降低高压特种电源输出端器件电压应力，输出端电路拓扑采用两级升压模式，如图3所示，使单级输出降为输出电压的1/2，从而扩大了器件的选用范围，也有利于工艺实施，提高了电源的可靠性。

图3　多级输出高压输出拓扑Fig.3 High-voltage output topology in multi-series

高压特种电源电路选用反激设计，反激拓扑由于输出端没有滤波电感，在高压场合下很有优势，此外，反激拓扑不需要高压续流二极管，使它在高电压场合应用更有利［4］。采用两级串联模式更进一步降低了高压整流二极管选用的可行性。变压器副边拥有两个次级绕组，在开关管关断的时候将变压器电感中存储的能量传递到副边，从而实现能量传输和电器隔离。具体工作原理为：功率MOS管Q1导通时，所有绕组同名端相对于异名端为负，输入端将能量储存在变压器T1中，输出整流二极管反偏，电容C2～C5单独向负载供电；功率MOS管Q1关断时，储存在变压器T1中的能量向负载供电，同时向电容C2～C5充电。电容的选择应保证提供负载电流的同时能够满足输出电压纹波和压降的要求。

2.3高压功率变压器设计

应用在高压情况下时，变压器绕组之间的绝缘特性显的尤为重要。电源选择窗口较大的RM磁心，这样在加工时更容易实现层间及绕组间高压绝缘。变压器副边高压输出绕组间距≥3 mm，由于采用两级升压方式，一组绕组压差最大为150 V，且引线根部采用414胶固定，降低了高压放电的风险。图4为功率变压器示意图。其中1和2表示变压器原边低压绕组，3～6表示变压器副边高压绕组。

图4　高压功率变压器引线示意图Fig.4 Down-lead prototype of highvoltage power transformer

为了保证层间及绕组间高压绝缘实施，磁环首先缠绕绝缘材料进行磁芯与绕组的绝缘，然后层间和绕组间也进行绝缘材料缠绕绝缘，绝缘材料选用耐压大于1500 V绝缘介质。并且高压功率变压器整体浸漆处理，防止潮气及保证绝缘。为了保证变压器引出线与其它元器件之间的绝缘，采用绝缘材料将引出线保护。最后，固定变压器卡簧材料采用聚四氟乙烯，使高压功率变压器与壳体绝缘。

2.4热设计及优化技术

根据高压特种电源技术要求，电源的工作温度：-40℃～+80℃。

关键发热元器件功耗核算如下：

1）功率MOS管

根据任务要求，高压特种电源输入电压为15 V时，输入电流平均值0.384 A，占空比约为0.35，最大峰值电流1.1 A。开关管道通损耗P（ON）如式（1）：

式中：IDS表示流过功率MOS管的电流，RDS表示功率MOS导通电阻，Dmax表示功率MOS导通占空比。

开关管驱动损耗P（Q）如式（2）：

式中：Qg表示功率MOS管结电荷，Vgss表示功率MOS驱动电压，f表示功率MOS功率频率。

开关管开通与关断损耗P（on+off）（最恶劣情况）如式（3）：

式中：VDS表示功率MOS漏源电压，tr表示功率MOS开通时间，tf表示功率MOS关断时间。

2013年，在水利部党组的正确领导下，发展研究中心认真学习贯彻党的十八大和十八届三中全会精神，紧紧围绕水利改革发展大局大势，紧紧围绕中央治水决策部署深入落实，紧紧围绕民生水利理念实践发展，着力抓好政策咨询、基础研究和能力建设，为水利中心工作提供了有力支撑。

2）高压整流二极管

整流二极管的通态功耗PCOND（D1）如式（4）：

式中：VF表示二极管正向压降，IF表示二极管正向电流，DT表示二极管导通占空比。

整流二极管的开关功耗PSWD（D1）如式（5）：

式中：VR表示二极管反向恢复电压，IRR（PEAK）表示二极管正向峰值电流，trr表示二极管反向恢复时间。

热仿真采用国际通用的电子散热专用分析软件FLOTHERM。

当高压特种电源工作在真空环境，其底面控温为81℃的时候，产品热分析图如图5、所示，元器件热仿真数据数据如表1所示。由表1可知，D2、D3虽然热功耗不大，温升却较高，通过分析，主要原因如下：

1）由于该元器件体积小，使得它生热率高；

2）其散热主要依靠两个较细的引脚向印制板传热，其封装尺寸如图5所示，热路径较长；

3）该元器件用在高压上，印制板下无法大面积覆铜，导热率低。

表1　热仿真数据表Table2 Datasheet of thermal emulation

图5　高压特种电源立体热分布图Fig.5 3D thermal distribution sketch map of high-voltage special DC/DC converter

在考虑高压特种电源安全性，适当增大覆铜层无法实施，采取了在高压二极管下方涂抹导热硅橡胶，增大散热面积。如表2所示，热仿真和实测结果较好的满足了电源的要求，大幅降低器件的结温，提高了高压特种电源的使用寿命。

表2　热仿真和实测数据表Table 2 Datasheet of thermal emulation and realmeasurement

2.5高压特种工艺技术分析

为了保证高压特种电源的应用需求，防止在真空环境中器件被高压损坏，除了在电路设计上采用多级升压的反激拓扑结构外，在高压特种电源工艺上也进行了防护：

1）电气间距控制

根据航天五院编制的《50V～250V设计和工艺技术要求》［5］，涂覆后的导体，电位差为50 V至100 V时，最小电气间距为0.13 mm；电位差为101 V至250 V时，最小电气间距为0.4 mm。高压特种电源裸机采取三防漆喷涂，所以高压输出属于涂覆后的导体。实际设计中，高压输出与机壳及其它器件间距≥3 mm。

2）高压焊点防护

防止低气压环境下高压放电的产生，在超高电压情况下，超高压焊点应使元器件引线的尖锐边缘完全被连续、光滑的焊锡层全部覆盖，或形成一个球形焊点，且球形焊点不超过指定的高度要求。不存在暴露引线的尖锐边缘，焊点拉尖或夹杂（外来物）的情况（如图6所示）。超高压特种电源与常压电源的覆形涂敷基本一致，只是高压焊点为焊锡球类型，覆形涂敷可能不能完全覆盖绝缘间隙。因此，超高压焊点的情况通常在覆形涂敷应用后再采用刷涂的方法将绝缘间隙进行补刷。

图6　插装元器件高压焊点示意图Fig.6 Discrete component prototype of high-voltage soderings

3　高压特种电源工程应用及研制

按照用户要求，研制了六台高压特种电源，产品主要技术指标如表3所示。通过表3可知，高压特种电源关键特性指标一致性较好，并且满足了深空探测轻量化、小型化的要求。

表3　主要技术指标比较Table 3 Comparison ofmajor technical requirements

使用该高压特种电源供电的月球探测某特种型号在轨工作正常，圆满完成了型号任务，验证了设计的高压特种电源工作的可靠性，为后续深空探测提供了技术储备。

4　结论

论述了测月雷达用高压特种电源的研制，重点解决了高压特种电源研制过程中五大技术难点问题：缓起电路设计技术、多级升压电路设计、高压功率变压器设计、热设计及优化技术分析以及高压特种工艺技术分析。并进行了探月验证，验证结果表明：高压特种电源圆满完成了探月任务要求，并为后续深空探测有效载荷的高压特种电源设计提供了支持。

［1］马世俊.卫星电源技术［M］.北京：中国宇航出版社，2001：376-391. Ma Shijun.Satellite power technology［M］.Beijing：China Astronautic Publishing House，2001：376-391.（in Chinese）

［2］普利莱曼A I.开关电源设计［M］.王志强，译.北京：电子工业出版社，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］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，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设计和工艺技术要求［S］.北京：中国空间技术研究院，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，硕士研究生，工程师，研究方向为星载电源技术。E-mail：wangru@nuaa.edu.cn