使用Vicor电源模块的新太空供电网络解决方案

太空中的电子系统面临诸多危险，包括持续受到电磁波和粒子辐射的影响。半导体器件特别容易受到粒子辐射的影响，这可能导致系统故障甚至永久性损坏。

然而，并非所有太空应用都需要相同程度的辐射防护。例如，深空探测任务使用昂贵的耐辐射强化组件；而当今的新太空应用，如运行在 LEO（低地球轨道）和 MEO（中地球轨道）的卫星，则只需要“耐辐射”的组件和电路。

如图 1 所示，电磁波辐射和粒子辐射虽然相关，但对系统的影响却有所不同。单个粒子的质量虽小，但可以加速到极高的速度。它们还可能携带电荷——通常由于原子轨道中的负电荷电子被剥离而带正电荷。

图 1：辐射谱。

粒子辐射可能造成物理损坏，尤其是对半导体晶格结构的破坏，这种损伤可能是永久性的和/或累积性的。当电子被拖入耗尽区并使非导电区导电时，系统也会出现暂时性故障。

另一方面，如果正离子取代晶体矩阵中的掺杂原子，就可能造成永久性损伤，使不应导电的半导体开始导电，从而因电路故障而造成永久性损坏。

很大一部分辐射损伤是累积性的，所以任务的持续时间将始终是一个无法回避的因素。

最佳实践

在当今迅速发展的新太空商业环境中，发射和更换失效卫星的成本十分高昂，因此精心设计至关重要。

选择耐辐射的组件。某些半导体工艺节点改进了耐辐射性能。双极型半导体可以根据位移损伤等级进行选择，而宽带隙（GaN）场效应晶体管（FET）具有固有的耐辐射能力。某些环氧树脂和铝电解电容在真空中会释放气体，因此不适合在太空环境中使用。

考虑到不同批次之间的差异，应对多批次产品的耐辐射性能进行抽样测试。

可以采用多重冗余设计。物理冗余是一种保障措施。如果一个系统失效，另一个可以接替工作。在某些系统中，有三个并行运行的系统，如果其中一个与另外两个不一致，其输出就可以被忽略。

可以降低功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的额定值，这样即使在不可避免的栅源电压（VGS）阈值降级后，器件在任务结束时仍能正常工作。

屏蔽可以保护敏感的电子设备，但如果粒子能量足够高，级联的屏蔽粒子反而可能加剧问题。

可以添加电路来监控性能，如果故障可恢复，则可以断开并重启不一致的系统。

然而，无论采用什么设计策略和电源拓扑结构，新太空电子系统都必须经过严格的分析、仿真和测试，以确保其环境和耐辐射性能。

带来竞争优势

软开关拓扑结构（相比于硬开关电源转换器）能够降低寄生效应对系统的影响，如增加开关组件的电压应力引起的振铃现象。

评估拓扑结构时需要考虑的因素包括功率密度、效率、瞬态响应、输出纹波、电磁干扰（EMI）辐射以及成本。

MOSFET 的开关损耗主要来自栅极电荷需求和漏源电容。

随着开关频率的提高，开关损耗也会增加，这就限制了开关频率的进一步提升。体二极管的导通损耗进一步降低了硬开关转换器的电源转换效率。

虽然 GaN FET 没有物理的体二极管，但它们确实有一个电压为几伏特的反向导通模式，这使得 GaN器件的死区导通期变得非常难以管理。

在同步硬开关降压拓扑中，高边 FET 在其两端电压最大时开启，并在工作周期的开通阶段导通最大电流（如图 2 左侧所示）。输入电压越高，功率损耗就越大，因此在高电压比应用中（如 28V 降至 3.3V），转换器的效率会比转换比更高的转换器（如 5V 降至 2.5V）要差。

图 2：拓扑寄生效应。传统硬开关降压转换器（左）与零电压开关（ZVS）降压转换器（右）对比。

“在当今迅速发展的新太空商业环境中，发射和更换失效卫星的成本十分高昂，因此精心设计至关重要。”

软开关的优势

软开关技术可以减少开关损耗。零电压开关（ZVS）技术是软开关的一种典型应用，它提高了各种电源拓扑的转换效率。ZVS 在开关电压接近零或为零时开启高边 FET（参见图 2 右侧）。

利用 ZVS 技术操作钳位开关，可以在高低边开关都关闭时，在输出电感中储存少量能量。转换器利用这部分原本会被浪费的能量来对高边 FET 的输出电容进行放电，并给同步 FET 的输出寄生电容充电。

通过消除 FET 输出电容在开关开启过程中的影响，设计人员可以不用过分关注栅极-漏极电容（Cgd），而将注意力集中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性能指标。

这种在开启期间驱动高边 FET 的方法可以避免激发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产生谐振，引起大幅电压尖峰和振铃（见图 3a）。通过消除尖峰和减少振铃（见图 3b），ZVS 技术不仅减少了一个功率损耗项，还消除了一个电磁干扰（EMI）源。

图 3：硬开关与软开关波形对比。

通过消除开关过程中的电压尖峰，设计人员可以选用导通电阻（RDSON）更低的低电压场效应晶体管（FET），从而提高效率。

Vicor 是众多开发软开关技术的公司之一，并将其运用于耐辐射电源模块解决方案，为中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO）卫星应用的高性能通信 ASIC 供电（见图 4）。这些系统模块在 PRM（电源调节模块）中使用零电压开关（ZVS）降压-升压拓扑结构，而在 BCM（母线转换器模块）和 VTM（电压转换器模块）中则同时运用了零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）正弦幅值转换器（SAC）技术。

图 4: 高功率谐振（零电压开关和零电流开关）拓扑模块。

电压转换模块（VTM）体积小巧，可以尽可能靠近 ASIC 放置。在满足现代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 等的大电流需求时，优化配电网络（PDN）至关重要。

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

为了降低单事件功能中断的影响，所有耐辐射模块都包含完全冗余的并联动力系统。如果一个动力系统因单一事件而受到干扰，其保护电路会强制执行断电复位。在复位期间，冗余动力系统承担全部负载，复位完成后两个动力系统再次并联运行。

设计新的太空电源转换器时，选择合适的拓扑结构和开关模式也是非常重要的考虑因素，此外还有许多其他因素需要权衡。