軍品可靠性設(shè)計很神秘，一個軍用器件可靠性設(shè)計竟然是這樣的

軍品可靠性要求高，可靠性設(shè)計分析如何開展？軍品的可靠性更關(guān)注什么呢？今天分析一篇軍用器件的可靠性設(shè)計文章，供學習參考。當然，不同的軍品可靠性要求不一樣，開展的可靠性設(shè)計分析工作也不盡相同。采用先進的可靠性技術(shù)，利用專用的可靠性工具是軍品可靠性工作必不可少的。軍用DC／DC變換器的高可靠和長壽命，是確保其完成任務(wù)使命的基本條件之一。但人們對DC／DC變換器可靠性的認識通常集中在元器件固有質(zhì)量或產(chǎn)品組裝工藝缺陷方面，往往忽略了系統(tǒng)設(shè)計缺陷和電壓、電流和溫度應(yīng)力對可靠性的影響，本文以軍用衛(wèi)星 DC／DC變換器為對象，介紹軍品可靠性設(shè)計分析相關(guān)知識。

日本的統(tǒng)計資料表明，可靠性問題的80％來源于設(shè)計方面（日本把元器件的選型和質(zhì)量等級的確定以及元器件的負荷能力等都歸入設(shè)計上的原因）。國產(chǎn)星用DC／DC變換器雖然在軌試驗中尚未出現(xiàn)失效現(xiàn)象的歷史記錄，但在地面試驗中，已經(jīng)有過不少的故障歸零報告，基本上屬于設(shè)計缺陷。

以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，控制和減少由于技術(shù)方案選擇、電路拓撲設(shè)計以及元器件使用設(shè)計原因所造成的DC／DC變換器故障，具有重要意義。 DC／DC變換器供電方式的選擇 DC／DC變換器供電方式的不同，對整個供電系統(tǒng)的可靠性有重大影響。衛(wèi)星用DC／DC變換器的配電系統(tǒng)一般有兩種方式：集中式供電和分布式供電。 集中式供電的優(yōu)點是DC／DC變換器數(shù)量少，有利于控制和減少電源的體積和重量，同時簡化了一次電源到DC／DC變換器之間的重復(fù)布線。缺點是電源的多負載，很難保證電源的輸出伏安特性滿足每個負載的要求。 分布式供電系統(tǒng)的優(yōu)點是DC／DC變換器靠近供電負載，在減小傳輸損耗的同時提高了動態(tài)響應(yīng)特性，這是解決低壓大電流（如2V／20A）問題的必須和唯一技術(shù)途徑。這種供電方式的基本特征是將負載功率或負載特性分解，分擔給多個、電源模塊來承擔。 從可靠性模型上來說，分布式供電系統(tǒng)的多個DC／DC變換器屬于可靠性并聯(lián)系統(tǒng)，容易組成N＋1冗余供電，擴展功率也相對容易。所以，采用分布式供電系統(tǒng)，能夠滿足航天電源產(chǎn)品的可靠性方案設(shè)計要求。

目前，國產(chǎn)衛(wèi)星DC／DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)，基本上實現(xiàn)了從分系統(tǒng)共用一個結(jié)構(gòu)模塊電源的集中供電方式，過渡到采用通用化、模塊化、小型化的“三化”電源產(chǎn)品的分布式供電。 因此綜合考慮用電系統(tǒng)的具體需求，選擇合理的供電方式對提高DC／DC變換器供電系統(tǒng)的可靠性具有至關(guān)重要的意義。 電路拓撲的選擇與設(shè)計可供衛(wèi)星DC／DC變換器功率變換選用的基本電路拓撲有8種，分別是單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式、雙正激式、雙管正激式、半橋式、全橋式。 前6種拓撲功率開關(guān)管在關(guān)閉時要承受2倍輸入電壓?？紤]到輸入電壓的變化范圍和電磁干擾電壓峰值，并要留有一定的安全余度，功率開關(guān)管的耐壓值，需要達到輸入額定電壓的4倍以上。例如，當輸入母線電壓＋42V時，功率管的漏源電壓應(yīng)該為200V。 推挽和全橋拓撲有可能出現(xiàn)單向磁偏飽和現(xiàn)象，主要是兩路功率開關(guān)輪流導(dǎo)通時不完全對稱，使充磁和退磁的兩個伏秒面積不等而造成的。一旦出現(xiàn)該現(xiàn)象，一只功率管會首先損壞。近年來，在國外對推挽拓撲的單向磁偏所進行的專題研究中，發(fā)現(xiàn)功率開關(guān)采用性能參數(shù)一致性好的MOSFET，就可以消除單向磁偏飽和現(xiàn)象。原因是MOSFET的導(dǎo)通損耗具有正溫度特性，可實現(xiàn)自動溫度平衡的功能，將自動維持兩管伏秒面積的等值性。這些結(jié)論，我們已經(jīng)在多顆衛(wèi)星DC／DC變換器試驗中得到了驗證，應(yīng)該說只要實施有效的可靠性技術(shù)措施，推挽拓撲的大電流、高效率、高可靠優(yōu)勢會充份地發(fā)揮出來。 理論分析和實踐結(jié)果表明，半橋拓撲具有自動抗不平衡的能力。

一般認為，500W以下，雙管正激和半橋拓撲具有較高的安全性和可靠性。 單端反激拓撲不適用于負載電流大范圍變化的情況，空載時的輸出電壓也會明顯增高。目前，國內(nèi)外廣泛采用外接電阻負載克服空載失控現(xiàn)象，但這會降低電源效率。由于電源輸出功率與外接電阻值成反比關(guān)系，因此，單端反激拓撲只適用于輸出功率較小的場合。 失效模式及影響分析（FMEA）失效模式及影響分析是指，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，對組成產(chǎn)品的所有部件、元器件可能發(fā)生的故障造成的影響進行分析，并規(guī)劃糾正措施。 元器件的故障模式參照GJB電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊。分析中不考慮無關(guān)的雙重故障，但考慮單一故障引起的連鎖影響，即二次故障。 由于航天器DC／DC變換器的高可靠要求，供電系統(tǒng)不允許單點故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設(shè)計。但不是說考慮了備份冗余以后，進行FMEA的結(jié)果就不存在單點故障。因為，往往表面上看不是單點故障的失效模式，深入分析后就會發(fā)現(xiàn)由于共因模式的存在而導(dǎo)致單點失效。

審核編輯 黃昊宇