宇航用100 V 厚膜DC/DC 电源变换器极限评估试验研究

肖 波，吕倩倩，谷瀚天，李培蕾，张俊峰

（1. 中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094； 2. 兰州空间物理研究所，兰州 730000）

0 引言

为保证航天器产品的高质量、高可靠性，美国航空航天局（NASA）和欧洲空间元器件协调委员会（ESCC）制定了相关元器件的评估标准，特别是极限试验相关标准，以开展对宇航用元器件实际能力的极限摸底，掌握元器件设计或应用裕度等可靠性信息。我国主要依托国家军用标准和航天行业标准，并结合新的可靠性强化试验来进行宇航元器件的可靠性评价[1-2]。

DC/DC 电源变换器是航天器分布式电源结构中不可或缺的重要器件，关系航天器产品的安全。为了对其极限性能以及可能的失效模式进行摸底评估，保证型号设计选用的高可靠性，有必要开展极限评估试验研究。

在针对宇航用100 V 厚膜DC/DC 电源变换器的极限特性测试中，主要关注电源变换器产品的输入/输出、负载及动态参数特性，通过设置筛选测试条件和鉴定考核试验条件确定产品是否满足相应的规范值。但目前表征产品极限特性的测试与试验方法存在不足，特别是在模拟空间环境宇航应用条件下的极限特性方面；而空间太阳电池阵母线电压不稳定，重离子及高能粒子辐射效应引起的工作电压变化等会严重影响电源变换器的在轨工作性能。因此，本文开展针对性的电应力、温度应力、机械应力等极限试验研究，通过设计不同的极限试验条件给出该器件的各类极限、可靠性裕量等信息，以期为该器件的后续研制和应用提供指导与参考。

1 极限评估试验目的及设置

极限评估试验主要是通过设计一系列的试验，获取器件在电、力、热等应力作用下可承受的应力极限值，以评估元器件实际能力与其应用条件之间的裕量。极限是指元器件在规定时间的应力条件下满足要求的临界应力值，通常包括规范极限、可用极限、固有极限和破坏极限4 种[2]。

本文对100 V 厚膜DC/DC 电源变换器的极限评估试验主要考查该器件的规范极限和固有极限。极限评估试验方式通常分为步进应力试验和恒定应力试验。在宇航应用环境下，航天器母线供电电压有可能因环境因素出现一定的波动，故需模拟设计步进加电应力对DC/DC 电源变换器在欠压、过压和慢加电条件下的极限能力进行摸底；负载短路会对整机系统造成较严重影响，故需对负载存在短路条件下的输出短路极限能力进行摸底；同时，需针对温度应力和机械应力，通过设计极限高低温环境和极限应力环境来获取器件极限能力数据。

2 试验方法与程序

基于第1 章极限评估试验的目的及设置，设计100 V 厚膜DC/DC 电源变换器极限评估试验流程（如图1 所示）。

图 1 100 V 厚膜DC/DC 电源变换器极限评估试验流程Fig. 1 Flowchart for experimental limit stress assessment of 100 V hybrid DC/DC converter

2.1 试验样品选择与分析

2.1.1 样品选择

极限评估试验样品需要满足以下要求：1）每个样品有编号，以便试验前/后的识别和比较；2）每个试验项目的样品不少于2 只；3）在不影响试验结果的前提下，可考虑试验样品的复用，以节约成本；4）对比分组的样品不进行任何试验，用于试验前/后的测试比对工作。本文选择某单位生产的XXXX/100-5R-15/SP 型100 V 输入电压单路输出电源变换器作为典型产品，开展极限评估试验研究，为型号应用提供数据支持。

2.1.2 关键参数分析

根据航天器型号100 V 母线供电需求，在极限评估试验中挑选影响设备关键功能和性能的器件指标作为关键参数，通过对比极限试验后这些关键参数的变化来评价元器件性能的极限情况。依据生产单位提供的器件详细规范初稿，结合应用条件，分析认为输入/输出电压、转换效率、电压/电流调整率等参数对该器件的宇航应用影响较大，因此选取这些参数作为关键参数。

器件详细规范初稿规定的绝对额定值为：输入电压（Vin）80～120 V；输出电压（Vout）4.95～5.05 V；转换效率η≥75%；电压调整率Sv≤1%；电流调整率SI≤1%；工作温度（器件壳温Tc）-55～125 ℃。

2.2 试验项目及条件

恒定应力极限评估试验，通常可参考元器件总规范或相关标准中规定的试验方法和试验条件。步进应力极限评估试验则根据步进应力试验剖面设计的试验方法和试验条件极限进行试验[3]。当现有标准不满足评估试验的需要或采用步进应力试验方式进行评估时，须根据实际需求和极限评估试验剖面的设计原则制定适合的评估试验方法，最高应力应不超过设备的极限并且不改变试件的故障机理，最低应力应以保证合适的激发效率为原则、参照器件性能参数适当选取，并合理设定完成应力间隔、应力持续时间和应力组合优化等[4]。

通过对元器件特性和宇航应力环境的系统分析，确定对宇航用100 V 厚膜DC/DC 电源变换器的极限评估试验项目及条件（见表1）。

表 1 试验项目及条件Table 1 The experimental items and conditions

3 试验结果

3.1 电应力试验结果

3.1.1 输出特性极限试验

由图2 可知，DC/DC 电源变换器可在输入电压63～145 V内工作，且输出电压随输入电压变化很小，无明显趋势。由图3 可知，转换效率变化的大致趋势是，在输入电压63～80 V 时有所升高（相差0.9%左右），在输入电压80～140 V 时递减（相差1.7%左右），在输入电压140 V 附近最低（约75.6%），在输入电压80 V 附近最高（约77.3%）。参数数据是22 只产品实测数据的统计平均值。

图 2 输出电压与输入电压变化关系Fig. 2 The relation between the output voltage and the input voltage

图 3 转换效率与输入电压变化关系Fig. 3 The relation between the conversion efficiency and input voltage

3.1.2 步进过压/欠压工作电压极限试验

步进过压工作电压极限试验曲线如图4 所示，当输入电压为120～170 V 时，器件输出电压稳定且均满足器件详细规范要求的4.95 V≤Vout≤5.05 V；输入电压＞170 V 时，输出电压开始随输入电压增大而出现异常变化。步进欠压工作电压极限试验曲线如图5 所示，输入电压为80～62 V 时，输出电压稳定且均满足4.95 V≤Vout≤5.05 V；输入电压＜62 V时，输出电压随输入电压降低而逐渐降低，当输入电压为60 V 时输出电压降至0 V。

图 4 步进过压工作极限试验曲线Fig. 4 Curve of the step overvoltage limit test

图 5 步进欠压工作极限试验曲线Fig. 5 Curve of the step undervoltage limit test

3.1.3 步进功率应力试验

受本次极限试验条件所限，未开展相应器件的步进功率应力试验。基于该单路输出型DC/DC 电源变换器的可靠性设计分析，包括内部元器件降额分析、最坏情况分析等，器件的最大工作功率可达19.5 W 以上，较额定工作功率（15 W）具有一定的设计裕量。

3.1.4 步进慢加电极限试验

慢加电极限试验曲线如图6 所示。步进电压为1 V，输入电压为0～61 V 时，电源变换器低端保护，无输出；输入电压为62～170 V 时，器件输出电压稳定且均满足4.95 V≤Vout≤5.05 V，即极限输入电压范围可达62～170 V，比规范要求的范围（80～120 V）宽68 V。

图 6 步进慢加电极限试验曲线Fig. 6 Curve of the step slow charging limit test

3.1.5 步进输出短路维持时间极限试验

第1 次输出短路维持时间为60 s，以后每次维持时间增加60 s，短路后进行测试。前0.5 h 试验按每次维持时间增加60 s 进行，短路维持1.5 h 后按每次维持时间增加1 h 至23.5 h 为止。试验结果：器件输出电压均满足4.95 V≤Vout≤5.05 V，输出短路维持时间超过24 h 后器件功能失效，无输出电压。输出短路后输出电压曲线如图7 和图8 所示。

图 7 步进输出短路维持时间极限试验曲线（前0.5 h）Fig. 7 Curve of the step output short-circuit hold time limit test (the first 0.5 h)

图 8 步进输出短路维持时间极限试验曲线（1.5 h 后）Fig. 8 Curve of the step output short-circuit hold time limit test (after 1.5 h)

3.2 温度应力试验

3.2.1 热性能评价试验

按GJB 548B—2005 中方法5006 和方法1012的要求进行[5]。试验在Tc=50 ℃（即温控台温度为50 ℃）时，满载工作（Io=3 A）和极限负载（Io=3.9 A）情况下对编号为114#、195#、200#的3 只样品进行红外图像扫描，并检测功率芯片MOS 管（代号V1）和肖特基二极管（代号V2）的整个温度分布和结温。结果在满载和极限负载条件下均未发现存在由于不合理的设计或工艺而造成的部分区域工作温度异常高（超过极限负载条件）致使器件功能异常。器件在极限负载功率条件下的热性能评价见表2，其中器件最高工作温度下的热阻为Rth=(tj-tc)/PD。

表 2 热性能评价Table 2 The thermal performance evaluation

3.2.2 步进低温/高温工作极限试验

分别设-55 ℃和125 ℃为低温和高温工作的初始环境温度，每步间距2 ℃逐步降/升温，直到环境温度-65 ℃、壳温150 ℃时，每步进行输出电压测试，结果器件输出电压满足规范要求4.85 V≤Vout≤5.15 V 的工作温度最低可达-65 ℃、最高可达135 ℃，均超出规范要求的极限温度10 ℃。步进低温/高温输出电压曲线如图9 和图10 所示。

图 9 步进低温工作极限试验曲线Fig. 9 Curve of the step low temperature limit test

图 10 步进高温工作极限试验曲线Fig. 10 Curve of the step high temperature limit test

3.2.3 步进热冲击极限试验

按GJB 548B—2005 中方法1011 之条件C 的要求，对2 只样品进行热冲击试验，每个步进循环结束之后均将样品置于室温下达到稳定状态后再进行检验，并记录测试数据。70 次试验后器件外观、常温电特性、密封均正常，100 次试验后器件外壳开裂、功能失效。

3.3 机械应力试验

3.3.1 步进机械冲击极限试验

按GJB 548B—2005 中方法2002 的要求，对2 只样品进行机械冲击试验，所有样品分别在条件C（峰值加速度3000g）和条件D（峰值加速度5000g）下进行y1 方向的机械冲击各5 次，每个步进循环结束之后均进行检验，并记录测试数据。试验后器件均合格。

3.3.2 步进随机振动极限试验

按GJB 548B—2005 中方法2026 的要求，对2 只样品进行随机振动试验，试验条件分别为D（10 (m/s2)2/Hz）、E（20 (m/s2)2/Hz）、F（30 (m/s2)2/Hz），每个步进循环结束之后均进行外部目检、PIND（粒子碰撞噪声检测）和密封检测，并记录测试数据。试验后器件状态均正常。

3.4 试验小结

综上，对XXXX/100-5R-15/SP 型100 V 厚膜DC/DC 电源变换器进行电应力、温度应力和机械应力极限试验，结果表明该器件关键电性能参数具有一定裕量，符合设计预期。极限试验结果汇总见表3。

表 3 极限试验结果汇总Table 3 The summary of limit test results

4 结束语

本文结合宇航应用高可靠性要求，提出宇航用100 V 厚膜DC/DC 电源变换器的极限评估方法，解决了该器件相关鉴定考核不足以说明器件宇航应用的极限能力的问题。以新研某款宇航用100 V 厚膜DC/DC 电源变换器产品为例，依据型号应用的关键参数、相关极限判据和器件详细规范初稿，开展了针对性的电应力、温度应力、机械应力等极限试验，结合器件的各类极限、可靠性裕量等信息确定了器件的详细规范终稿，可为型号应用提供重要的极限性能数据。