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新太空供電網路

太空是一個充滿挑戰且不容許任何差錯的環境，要求設備具備最高效能和絕對可靠性。因此，仔細選擇最適合應用的產品至關重要。對於低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）衛星而言，耐輻射部件是確保卓越性能和延長任務壽命的最佳選擇。Vicor 公司成熟的耐輻射高密度電源模組性能卓越，並經過嚴格測試，能够承受太空環境的嚴苛考驗。

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

太空中的電子系統面臨諸多危險，包括持續受到電磁波和粒子輻射的影響。半導體器件特別容易受到粒子輻射的影響，這可能導致系統故障甚至永久性損壞。

然而，並非所有太空應用都需要相同程度的輻射防護。例如，深空探測任務使用昂貴的耐輻射强化組件；而當今的新太空應用，如運行在 LEO（低地球軌道）和 MEO（中地球軌道）的衛星，則只需要“耐輻射”的組件和電路。

如圖 1 所示，電磁波輻射和粒子輻射雖然相關，但對系統的影響卻有所不同。單個粒子的質量雖小，但可以加速到極高的速度。它們還可能攜帶電荷——通常由於原子軌道中的負電荷電子被剝離而帶正電荷。

圖 1：輻射譜。

粒子輻射可能造成物理損壞，尤其是對電晶體晶格結構的破壞，這種損傷可能是永久性的和/或累積性的。當電子被拖入耗盡區並使非導電區導電時，系統也會出現暫時性故障。

另一方面，如果正離子取代晶體矩陣中的摻雜原子，就可能造成永久性損傷，使不應導電的電晶體開始導電，從而因電路故障而造成永久性損壞。

很大一部分輻射損傷是累積性的，所以任務的持續時間將始終是一個無法回避的因素。

最佳實踐

在當今迅速發展的新太空商業環境中，發射和更換失效衛星的成本十分高昂，因此精心設計至關重要。

選擇耐輻射的組件。某些電晶體工藝節點改進了耐輻射性能。雙極型電晶體可以根據位移損傷等級進行選擇，而寬帶隙（GaN）場效應電晶體（FET）具有固有的耐輻射能力。某些環氧樹脂和鋁電解電容在真空中會釋放氣體，囙此不適合在太空環境中使用。

考慮到不同批次之間的差异，應對多批次產品的耐輻射效能進行抽樣測試。

可以採用多重冗餘設計。物理冗餘是一種保障措施。如果一個系統失效，另一個可以接替工作。在某些系統中，有三個並行運行的系統，如果其中一個與另外兩個不一致，其輸出就可以被忽略。

可以降低功率金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）的額定值，這樣即使在不可避免的栅源電壓（VGS）閾值降級後，器件在任務結束時仍能正常工作。

遮罩可以保護敏感的電子設備，但如果粒子能量足够高，級聯的遮罩粒子反而可能加劇問題。

可以添加電路來監控效能，如果故障可恢復，則可以斷開並重啓不一致的系統。

然而，無論採用什麼設計策略和電源拓撲結構，新太空電子系統都必須經過嚴格的分析、模擬和測試，以確保其環境和耐輻射性能。

帶來競爭優勢

軟開關拓撲結構（相比於硬開關電源轉換器）能够降低寄生效應對系統的影響，如新增開關組件的電壓應力引起的振鈴現象。

評估拓撲結構時需要考慮的因素包括功率密度、效率、瞬態回應、輸出紋波、電磁干擾（EMI）輻射以及成本。

MOSFET 的開關損耗主要來自柵極電荷需求和漏源電容。

隨著開關頻率的提高，開關損耗也會新增，這就限制了開關頻率的進一步提升。體二極體的導通損耗進一步降低了硬開關轉換器的電源轉換效率。

雖然 GaN FET 沒有物理的體二極體，但它們確實有一個電壓為幾伏特的反向導通模式，這使得 GaN 器件的死區導通期變得非常難以管理。

在同步硬開關降壓拓撲中，高邊 FET 在其兩端電壓最大時開啟，並在工作週期的開通階段導通最大電流（如圖 2 左側所示）。輸入電壓越高，功率損耗就越大，因此在高電壓比應用中（如 28V 降至 3.3V），轉換器的效率會比轉換比更高的轉換器（如 5V 降至 2.5V）要差。

圖 2：拓撲寄生效應。傳統硬開關降壓轉換器（左）與零電壓開關（ZVS）降壓轉換器（右）對比。

“在當今迅速發展的新太空商業環境中，發射和更換失效衛星的成本十分高昂，因此精心設計至關重要。”

軟開關的優勢

軟開關技術可以减少開關損耗。零電壓開關（ZVS）科技是軟開關的一種典型應用，它提高了各種電源拓撲的轉換效率。ZVS 在開關電壓接近零或為零時開啟高邊 FET（參見圖 2 右側）。

利用 ZVS 技術操作鉗比特開關，可以在高低邊開關都關閉時，在輸出電感中儲存少量能量。轉換器利用這部分原本會被浪費的能量來對高邊 FET 的輸出電容進行放電，並給同步 FET 的輸出寄生電容充電。

通過消除 FET 輸出電容在開關開啟過程中的影響，設計人員可以不用過分關注柵極-漏極電容（Cgd），而將注意力集中在導通狀態下的通道電阻上，而不是通道電阻與柵極電容的乘積等傳統的性能名額。

這種在開啟期間驅動高邊 FET 的方法可以避免激發開關的寄生電感和電容，這些寄生參數在硬開關拓撲中往往會產生諧振，引起大幅電壓尖峰和振鈴（見圖 3a）。通過消除尖峰和减少振鈴（見圖 3b），ZVS 技術不僅减少了一個功率損耗項，還消除了一個電磁干擾（EMI）源。

Hard-switching versus softs-witching wave forms image

圖 3：硬開關與軟開關波形對比。

通過消除開關過程中的電壓尖峰，設計人員可以選用導通電阻（R_DSON）更低的低電壓場效應電晶體（FET），從而提高效率。

Vicor 是眾多開發軟開關技術的公司之一，並將其運用於耐輻射電源模組解決方案，為中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）衛星應用的高性能通訊 ASIC 供電（見圖 4）。這些系統模組在 PRM™ （電源調節模組）中使用零電壓開關（ZVS）降壓-升壓拓撲結構，而在 BCM®（母線轉換器模組）和 VTM™ （電壓轉換器模組）中則同時運用了零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）正弦幅值轉換器™ （SAC™）技術。

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

圖 4:高功率諧振（零電壓開關和零電流開關）拓撲模組。

電壓轉換模組（VTM）體積小巧，可以盡可能靠近 ASIC 放置。在滿足現代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 等的大電流需求時，優化配電網路（PDN）至關重要。

因此，Vicor 公司的模組結合了軟開關方案、耐輻射的有源組件和車規級無源組件。

為了降低單事件功能中斷的影響，所有耐輻射模組都包含完全冗餘的並聯動力系統。如果一個動力系統因單一事件而受到干擾，其保護電路會強制執行斷電復位。在復位期間，冗餘動力系統承擔全部負載，復位完成後兩個動力系統再次並聯運行。

設計新的太空電源轉換器時，選擇合適的拓撲結構和開關模式也是非常重要的考慮因素，此外還有許多其他因素需要權衡。

本文最初由 New Electronics 發佈。

Ken Coffman，高級現場應用工程師，被指派到 Vicor 新太空計畫工作。他住在亞利桑那州鳳凰城。您可以給 Ken 發郵件，郵箱地址為： kcoffman@vicr.com 。

Ken Coffman，高級現場應用工程師

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。