軍品可靠性設(shè)計(jì)很神秘，一個(gè)軍用器件可靠性設(shè)計(jì)竟然是這樣的

軍品可靠性要求高，可靠性設(shè)計(jì)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(jì)文章，供學(xué)習(xí)參考。當(dāng)然，不同的軍品可靠性要求不一樣，開展的可靠性設(shè)計(jì)分析工作也不盡相同。采用先進(jìn)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(zhǎng)壽命，是確保其完成任務(wù)使命的基本條件之一。但人們對(duì)DC／DC變換器可靠性的認(rèn)識(shí)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(jì)缺陷和電壓、電流和溫度應(yīng)力對(duì)可靠性的影響，本文以軍用衛(wèi)星 DC／DC變換器為對(duì)象，介紹軍品可靠性設(shè)計(jì)分析相關(guān)知識(shí)。

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

以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，控制和減少由于技術(shù)方案選擇、電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)以及元器件使用設(shè)計(jì)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(duì)整個(gè)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(diǎn)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(shí)簡(jiǎn)化了一次電源到DC／DC變換器之間的重復(fù)布線。缺點(diǎn)是電源的多負(fù)載，很難保證電源的輸出伏安特性滿足每個(gè)負(fù)載的要求。 分布式供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是DC／DC變換器靠近供電負(fù)載，在減小傳輸損耗的同時(shí)提高了動(dòng)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(fù)載功率或負(fù)載特性分解，分擔(dān)給多個(gè)、電源模塊來承擔(dān)。 從可靠性模型上來說，分布式供電系統(tǒng)的多個(gè)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(kuò)展功率也相對(duì)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(jì)要求。

目前，國產(chǎn)衛(wèi)星DC／DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本上實(shí)現(xiàn)了從分系統(tǒng)共用一個(gè)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(duì)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?fù)涞倪x擇與設(shè)計(jì)可供衛(wèi)星DC／DC變換器功率變換選用的基本電路拓?fù)溆?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?fù)涔β书_關(guān)管在關(guān)閉時(shí)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(dá)到輸入額定電壓的4倍以上。例如，當(dāng)輸入母線電壓＋42V時(shí)，功率管的漏源電壓應(yīng)該為200V。 推挽和全橋拓?fù)溆锌赡艹霈F(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(shí)不完全對(duì)稱，使充磁和退磁的兩個(gè)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(huì)首先損壞。近年來，在國外對(duì)推挽拓?fù)涞膯蜗虼牌M(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度平衡的功能，將自動(dòng)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(yàn)中得到了驗(yàn)證，應(yīng)該說只要實(shí)施有效的可靠性技術(shù)措施，推挽拓?fù)涞拇箅娏?、高效率、高可靠?jī)?yōu)勢(shì)會(huì)充份地發(fā)揮出來。 理論分析和實(shí)踐結(jié)果表明，半橋拓?fù)渚哂凶詣?dòng)抗不平衡的能力。

一般認(rèn)為，500W以下，雙管正激和半橋拓?fù)渚哂休^高的安全性和可靠性。 單端反激拓?fù)洳贿m用于負(fù)載電流大范圍變化的情況，空載時(shí)的輸出電壓也會(huì)明顯增高。目前，國內(nèi)外廣泛采用外接電阻負(fù)載克服空載失控現(xiàn)象，但這會(huì)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?fù)渲贿m用于輸出功率較小的場(chǎng)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(jì)過程中，對(duì)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(jìn)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(jì)手冊(cè)。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(diǎn)故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設(shè)計(jì)。但不是說考慮了備份冗余以后，進(jìn)行FMEA的結(jié)果就不存在單點(diǎn)故障。因?yàn)?，往往表面上看不是單點(diǎn)故障的失效模式，深入分析后就會(huì)發(fā)現(xiàn)由于共因模式的存在而導(dǎo)致單點(diǎn)失效。

審核編輯 黃昊宇