运用Vicor电源模块的新太空供电网络解决方案

太空中的电子体系面对许多风险，包括继续遭到电磁波和粒子辐射的影响。半导体。器材特别简单遭到粒子辐射的影响，这或许导致体系毛病乃至永久性损坏。

但是，并非一切太空运用都需求相同程度的辐射防护。例如，深空勘探使命运用贵重的耐辐射强化组件；而当今的新太空运用，如运转在 LEO（低地球轨迹）和 MEO（中地球轨迹）的卫星，则只需求“耐辐射”的组件和电路。

如图 1 所示，电磁波辐射和粒子辐射尽管相关，但对体系的影响却有所不同。单个粒子的质量虽小，但能够加快到极高的速度。它们还或许带着电荷——一般因为原子轨迹中的负电荷电子被剥离而带正电荷。

图 1：辐射谱。

粒子辐射或许形成物理损坏，尤其是对半导体晶格结构的损坏，这种损害或许是永久性的和/或累积性的。当电子被拖入耗尽区并使非导电区导电时，体系也会呈现暂时性毛病。

另一方面，假如正离子替代晶体矩阵中的掺杂原子，就或许形成永久性损害，使不该导电的半导体开端导电，然后因电路毛病而形成永久性损坏。

很大一部分辐射损害是累积性的，所以使命的继续时间将始终是一个无法逃避的要素。

最佳实践。

在当今迅速发展的新太空商业环境中，发射和替换失效卫星的本钱非常昂扬，因而精心规划至关重要。

挑选耐辐射的组件。某些半导体工艺节点改进了耐辐射功用。双极型半导体能够依据位移损害等级进行挑选，而宽带隙（GaN）场效应。晶体管。（FET）具有固有的耐辐射才能。某些环氧树脂和铝。电解电容。在真空中会开释气体，因而不适合在太空环境中运用。

考虑到不同批次之间的差异，应对多批次产品的耐辐射功用进行抽样测验。

能够选用多重冗余规划。物理冗余是一种保证办法。假如一个体系失效，另一个能够顶替作业。在某些体系中，有三个并行运转的体系，假如其间一个与别的两个不一致，其输出就能够被疏忽。

能够下降功率金属氧化物半导体场效应晶体管（。MOSFET。）的额定值，这样即便在不可防止的栅源电压（VGS）阈值降级后，器材在使命结束时仍能正常作业。

屏蔽能够维护灵敏的电子设备，但假如粒子能量足够高，级联的屏蔽粒子反而或许加重问题。

能够添加电路来监控功用，假如毛病可恢复，则能够断开并重启不一致的体系。

但是，不管选用什么规划战略和。电源。拓扑结构，新太空电子体系都必须经过严厉的剖析、。仿真。和测验，以保证其环境和耐辐射功用。

带来竞赛优势。

软开关拓扑结构（比较于硬。开关电源。转化器。）能够下降寄生效应对体系的影响，如添加开关组件的电压应力引起的振铃现象。

评价拓扑结构时需求考虑的要素包括功率密度、功率、瞬态呼应、输出纹波、电磁搅扰（EMI）辐射以及本钱。

MOSFET 的开关损耗首要来自栅极电荷需求和漏源。电容。。

跟着开关频率的进步，开关损耗也会添加，这就约束了开关频率的进一步进步。体。二极管。的导通损耗进一步下降了硬开关转化器的电源转化功率。

尽管 GaN FET 没有物理的体二极管，但它们的确有一个电压为几伏特的反导游通形式，这使得 GaN器材的死区导通期变得非常难以办理。

在同步硬开关降压拓扑中，高边 FET 在其两头电压最大时敞开，并在作业周期的注册阶段导通最大电流（如图 2 左边所示）。输入电压越高，功率损耗就越大，因而在高电压比运用中（如 28V 降至 3.3V），转化器的功率会比转化比更高的转化器（如 5V 降至 2.5V）要差。

图 2：拓扑寄生效应。传统硬开关。降压转化器。（左）与零电压开关（ZVS）降压转化器（右）比照。

“在当今迅速发展的新太空商业环境中，发射和替换失效卫星的本钱非常昂扬，因而精心规划至关重要。”。

软开关的优势。

软开关技能能够削减开关损耗。零电压开关（ZVS）技能是软开关的一种典型运用，它进步了各种电源拓扑的转化功率。ZVS 在开关电压挨近零或为零时敞开高边 FET（参见图 2 右侧）。

运用 ZVS 技能操作钳位开关，能够在凹凸边开关都封闭时，在输出电感中贮存少数能量。转化器运用这部分本来会被糟蹋的能量来对高边 FET 的输出电容进行放电，并给同步 FET 的输出寄生电容充电。

经过消除 FET 输出电容在开关敞开过程中的影响，规划人员能够不必过火重视栅极-漏极电容（Cgd），而将注意力会集在导通状态下的通道。电阻。上，而不是通道电阻与栅极电容的乘积等传统的功用指标。

这种在敞开期间驱动高边 FET 的办法能够防止激起开关的寄生电感和电容，这些寄生参数在硬开关拓扑中往往会发生谐振，引起大幅电压尖峰和振铃（见图 3a）。经过消除尖峰和削减振铃（见图 3b），ZVS 技能不只削减了一个功率损耗项，还消除了一个电磁搅扰（EMI）源。

图 3：硬开关与软开关波形比照。

经过消除开关过程中的电压尖峰，规划人员能够选用导通电阻（RDSON）更低的低电压场效应晶体管（FET），然后进步功率。

Vicor。是很多开发软开关技能的公司之一，并将其运用于耐辐射。电源模块。解决计划，为中地球轨迹（MEO）和低地球轨迹（LEO）卫星运用的高功用。通讯。ASIC。供电（见图 4）。这些体系模块在 PRM（电源调理模块）中运用零电压开关（ZVS）降压-升压拓扑结构，而在 BCM（母线转化器模块）和 VTM（电压转化器模块）中则一起运用了零电压开关（ZVS）和零。电流。开关（ZCS）正弦幅值转化器（SAC）技能。

图 4: 高功率谐振（零电压开关和零电流开关）拓扑模块。

电压转化模块（VTM）体积细巧，能够尽或许接近 ASIC 放置。在满意现代 ASIC、。FPGA。、。CPU。和。 GPU。等的大电流需求时，优化配电网络（PDN）至关重要。

因而，Vicor 公司的模块结合了软开关计划、耐辐射的有源组件和车规级无源组件。

为了下降单事情功用中止的影响，一切耐辐射模块都包括彻底冗余的并联动力体系。假如一个动力体系因单一事情而遭到搅扰，其维护电路会强制执行断电复位。在复位期间，冗余动力体系承当悉数负载，复位完成后两个动力体系再次并联运转。

规划新的太空电源转化器时，挑选适宜的拓扑结构和开关形式也是非常重要的考虑要素，此外还有许多其他要素需求权衡。

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