Гибридно-плёночные DC/DC-преобразователи с предельным уровнем радиационной стойкости с входным напряжением 100 В для космической промышленности

 

Виктор ЖДАНКИН,

технический специалист,

Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» №2-2026.

 

В статье рассматриваются радиационно-стойкие гибридно-плёночные DC/DC-преобразователи напряжения с мощностями до 120 Вт для работы в бортовых электросистемах постоянного напряжения 100 В космических аппаратов (КА). Модули характеризуются расширенным функционалом, позволяющим исключить использование внешних элементов и микросхем для организации служебных функций, что сказывается на массогабаритных характеристиках бортовой аппаратуры. Особое внимание уделяется требованиям к радиационной стойкости и контролю качества при производстве этих модулей. Производятся модули предприятием, входящим в Китайскую корпорацию электронных технологий (China Electronics Technology Group Corp., CETC).     

 

 

Увеличение мощности, генерируемой на борту современных космических аппаратов (КА), предъявляет требование к уменьшению массы и объёма всего бортового энергетического комплекса. Реализовать это требование возможно за счёт повышения эффективности всех потребителей и преобразователей энергии. Для функциональной части аппаратуры это в основном осуществляется методами комплексной миниатюризации. Существенное уменьшение массы и объёма систем электрооборудования достигается применением современных принципов действия источников электропитания, электроприводов и интегрально‑гибридных конструкций силовых устройств. Использование систем постоянного повышенного напряжения с транзисторными преобразователями становится весьма желательным условием реализации новых устройств. В системах электропитания современных космических аппаратов (КА) применяются шины с номинальными напряжениями 50,70, 100, 120 В. В зарубежных космических аппаратах и космических станциях шины питания с повышенными напряжениями применяются продолжительное время. Например, в КА навигационной спутниковой системы GPS III применяется сеть постоянного напряжения 70 В. Спутники GPS III, созданные компанией Lockheed Martin Space Systems, обеспечивают повышенную точность и в 8 раз увеличенную защиту от помех за счёт мощности сигнала.

Преобразование выходного напряжения первичных источников в уровни стабилизированного напряжения для питания аналоговой и цифровой аппаратуры осуществляется источниками электропитания, которые могут быть выполнены в виде отдельных блоков (модулей), так и элементов в составе различных функциональных узлов бортовой аппаратуры. В настоящее время широко распространён принцип проектирования, основанный на системной интеграции функционально завершённых электронных модулей. Модульность делает систему более гибкой, технологичной и минимально затратной благодаря применению масштабируемой архитектуры, а также производственной, монтажной и ремонтно-эксплуатационной технологичности. Разработка и синтез унифицированных силовых модулей с использованием гибридной технологии является современным направлением развития силовой электроники, в частности — высоконадёжных систем вторичного электропитания для авиационно-бортовой и космической аппаратуры [1].

Особым требованием к электронной аппаратуре космического приборостроения является стойкость к дестабилизирующим факторам космической среды. Особое значение имеет стойкость к воздействию ионизирующих излучений космического пространства.

Российские предприятия выпускают радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи для применения в бортовой аппаратуре КА с  электросистемами постоянного напряжения 27 В. Преобразователи выполняются с применением гибридной толстоплёночной технологии; использованием технологии поверхностного монтажа на многослойной печатной плате  — «кристалл на печатной плате», устанавливаемой в герметичный металлический корпус с заполнением внутреннего объёма инертной средой (азотом); технологии поверхностного монтажа на многослойной плате корпусированных электронных компонентов с герметизацией корпуса компаундом. Изготовление радиационно-стойких модулей DC/DC-преобразователей для бортовой аппаратуры КА с электросистемой постоянного напряжения 100 В сдерживается длительным сроком изготовления высоковольтных эффективных радиационно-стойких транзисторов MOSFET.

В бортовой аппаратуре российских КА с системой электропитания с постоянным повышенным напряжением 100 В применялись модули американских компаний Modular Devices, Inc (MDI), International Rectifier, Microsemi, экспорт которых в Россию в настоящее время существенно ограничен. Для смягчения последствий западных санкций российским предприятиям космического приборостроения предлагается воспользоваться достижением китайских компаний в сфере производства радиационно-стойких электронных компонентов и модулей преобразователей напряжения для космических программ [2].

 

Общее представление 120-ваттных модулей серии HDCD/100W

 

Одним из производителей радиационно-стойких DC/DC-модулей электропитания является Восточно-китайский научно-исследовательский институт микроэлектроники, специализирующийся на производстве обширного перечня электронных изделий и компонентов для применения в аппаратуре специального назначения, авиационной, ракетной и космической техники.

Предприятие, в основном, занимается исследованиями и производством гибридных интегральных схем по толстопленочной и тонкопленочной технологии, технологиями микросборок, а также связанных с ними материалов, схем и специального оборудования. В настоящее время предприятие располагает четырьмя лучшими в стране производственными линиями по выпуску толстопленочных и тонкоплёночных гибридных интегральных схем, металлических корпусов и многослойных корпусов и плат на основе низкотемпературной керамики (LTCC-керамика), а также четырьмя центрами автоматизации проектирования электронных приборов и устройств, контроля качества, технической информации и стандартизации. Области применения продукции предприятия охватывают силовые схемы (DC/DC, AC/DC, DC/AC, фильтры электромагнитных помех, усилители с широтно-импульсной модуляцией), преобразовательные схемы (синусно-косинусные цифровые преобразователи, преобразователи частота-напряжение), прецизионные схемы (источники опорного напряжения, прецизионные источники постоянного тока), схемы обработки сигналов, усилительные схемы, специализированные гибридные интегральные схемы и многокристальные компоненты.

Особый интерес для российских предприятий, производящих ракетно-космическую технику могут представлять модули DC/DC-преобразователей напряжения с входным напряжением 100 В с предельным уровнем радиационной стойкости, которые могут применяться в бортовой аппаратуре (БА) российских спутников нового поколения.

В качестве эталона для создания этих модулей использовались модули преобразователей напряжения серии AFL120, разработанные компанией International Rectifier, которые отличаются обширным набором защитных и сервисных функций и отлично зарекомендовавшие себя во множестве низкоорбитальных программ, космических зондах для исследования дальнего космоса и аппаратуре специального назначения. Надо заметить, что для модулей серии AFL120 в документации не указаны показатели радиационной стойкости, но все изделия компании International Rectifier выполняются по структурам пригодными для изготовления в варианте с повышенной радиационной стойкостью — достаточно заменить критичные компоненты на радиационно-стойкие элементы. Поэтому не удивительно то, что в справочной документации на модули серии HDCD/100W уделено много страниц для сравнения их параметров с техническими параметрами высоконадёжных изделий серии AFL120.

Серия HDCD/100W состоит из одно- и двухканальных преобразователей напряжения с уровнем входных напряжений 70-120 В (номинальное значение 100 В) и допускаемым переходным отклонением до 160 В длительностью 50 мс. Гарантируется высокая стабильность рабочих характеристик при эксплуатации в диапазоне температур от -55 до +125ºС (на основании корпуса) без понижения мощности. Состав серии и основные технические характеристики изделий приведены в табл.1.

 

Таблица 1. Основные параметры модулей серии HDCD/100W

Стойкость к суммарной накопленной дозе радиации обеспечивается при дозах ≥100 крад (Si), гарантируется отсутствие одиночных эффектов — обратимых и катастрофических (необратимых) — от воздействия протонов и ионов с предельными линейными потерями энергии (ЛПЭ) в кремнии ≥ 75 МэВ• см² /мг. Далее в статье будет рассказано о контроле радиационной стойкости на этапе разработки и производства и представлены результаты испытаний.

 

Топология и конструкция

 

Для построения стабилизаторов напряжения серии HDCD/100W применяется однотактная прямоходовая структура, которая энергетически наиболее эффективная структура среди других структур преобразователей DC/DC с низковольтными выходными напряжениями. Для регулирования выходного напряжения применяется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с постоянной высокой рабочей частотой (400…600 кГц) и обратной связью по напряжению. Функциональная схема одноканального преобразователя приведена на рис. 1. Двухканальные модели построены по структурной схеме, показанной на рис. 2.

Входное напряжение подаётся на последовательно соединённые первичную обмотку трансформатора и силовой ключ на транзисторе MOSFET (Q1). Силовой транзистор периодически открывается управляющими импульсами, формируемыми контроллером ШИМ. ШИМ-контроллер реализует полную логику управления необходимую для надлежащей коммутация силового транзистора схемы первичной стороны, которая обеспечивает требуемый уровень стабилизации выходного напряжения при любых изменениях входного напряжения или тока нагрузки. Передача энергии во вторичную часть осуществляется  через разделительный трансформатор TV при открытом состоянии силового ключа,  напряжение выпрямляется прямым диодом Шоттки (D1), имеющим небольшое дифференциальное сопротивление, выходной LC-фильтр выделяет среднюю составляющую из импульсного напряжения формируя выходное напряжение на нагрузке. Коэффициент заполнения последовательности импульсов от ШИМ-контроллера регулируется в зависимости от уровня выходного напряжения. Сигнал ошибки выходного напряжения передаётся в первичную часть преобразователя через трансформаторную развязку.

В схеме предусмотрен контроль тока в узле преобразования мощности для защиты от перегрузки по току и короткого замыкания на выходе. Питание микросхемы управления осуществляется от дополнительной обмотки выходного дросселя L2. Поэтому в режиме малых нагрузок напряжение питания микросхемы становится недостаточным, и схема переходит в режим “перезапуска”. Величина выходного напряжения в этом режиме не должна превышать номинальное значение более, чем на 5%. При этом нижний порог выходного напряжения, а также характер и величина пульсаций выходного  напряжения, не оговаривается. Минимальное значение тока нагрузки, при котором гарантируются все выходные параметры, устанавливается на уровне 10% от номинального значения тока нагрузки.

Детально принцип работы однотактной прямоходовой структуры рассмотрен в многочисленных работах. Здесь мы рассмотрим некоторые принципиальные моменты.

При идеальных режимах работы магнитопровод силового трансформатора в однотактном прямоходовом преобразователе напряжения перемагничивается по симметричной петле гистерезиса, используя максимально возможный диапазон индукции. Но в реальном преобразователе индуктивности рассеяния трансформатора, паразитные ёмкости силового ключа приводят к образованию постоянной составляющей тока намагничивания, что может повлиять на магнитный режим трансформатора — вызвать насыщение сердечника трансформатора и проблемы с обратным восстановлением диода. В настоящее время для размагничивания трансформатора в прямоходовых преобразователях применяется активное размагничивание. Активный ограничитель включает дополнительный транзистор MOSFET и резонансный конденсатор. Активная цепь восстановления даёт возможность оптимального использования магнитопровода трансформатора, обеспечивая работу с симметричным перемагничиванием в двух квадрантах B-H плоскости [3]. Дополнительный транзистор MOSFET должен иметь низкий заряд затвора, что сложно обеспечить для радиационно-стойкого MOSFET. Введение дополнительного ключа и резонансного конденсатора увеличивает сложность и стоимость силового каскада. Кроме того, структуры преобразователей, у которых при одновременном открывании двух транзисторов от излучения образуется практически короткозамкнутая цепь от низкоимпедансного источника к земле будут всегда чувствительными к одиночным эффектам. Схемотехника активного ограничения относится к таким потенциально опасным схемам [4].

В схеме рассматриваемых преобразователей применяется структура прямоходового преобразователя с одним силовым ключом и резонансным размагничиванием магнитопровода. Высокое значение частоты переключения (400…600 кГц) обеспечивает размагничивание сердечника резонансным способом. При использовании этой структуры коэффициент заполнения импульсов может превышать 0,5. Индуктивность намагничивания трансформатора и паразитные ёмкости силового ключа образуют на трансформаторе параллельный резонансный контур через которую трансформатор размагничивается (без потерь) во время запертого состояния силового ключа. Трансформатор перемагничивается симметрично в двух квадрантах характеристики B= f (H) с удвоенным размахом индукции. Подобные структуры подробно рассмотрены во многих публикациях, например — [5], [6].

В качестве силового ключа в преобразователях серии HDCD/100W применяется высоковольтный радиационно-стойкий MOSFET транзистор с высоким допустим напряжением. Транзистор выполнен с применением вертикального производственного процесса и обладает балансом между относительно высокими потерями на переключение и низкими потерями на проводимость. На графике зависимостей КПД от выходной мощности видно, что КПД преобразователей практически не уменьшается в области максимальных мощностей (рис. 3). Значение КПД также мало зависит от изменения входного напряжения (рис. 4).

Рис. 1. Функциональная схема одноканальной версии преобразователя напряжения серии HDCD/100W

Рис. 2. Структурная схема двухканальной модели преобразователя напряжения серии HDCD/100W

Рис.3. Зависимость КПД от выходной мощности при T_A =25ºC и входном напряжении 100 В:

а — для модуля HDCD/100W-5-100U/SP; б — для модуля HDCD/100W-28-120U/SP

Рис. 4. Зависимость КПД от входного напряжения при T_A =25ºC и полной нагрузке:

а — для модуля HDCD/100W-5-100U/SP; б — для модуля HDCD/100W-28-120U/SP

 

Динамические характеристики, уровни пульсаций напряжения и тока, нестабильности по току и напряжению модуля HDCD/100W-5-100U/SP приведены в табл. 2. При указанном диапазоне скачкообразных изменений выходного тока модуль характеризуется малыми переходными отклонениями.

Таблица 2. Технические характеристики DC/DC-преобразователя HDCD/100W-5-100U/SP

В табл.3 приведены абсолютные максимальные эксплуатационные параметры для модулей серии HDCD/100W, а в табл. 4 — рекомендуемые рабочие условия.

 

Таблица 3. Абсолютные максимальные значения эксплуатационных параметров модулей серии HDCD/100W

Таблица 4. Рекомендуемые рабочие условия для модулей серии HDCD/100W

 

Модули характеризуются высокой энергетической эффективностью — до 86,5%, что является весьма неплохим показателем для радиационно-стойких модулей, учитывая, что при подсчёте КПД учтены потери во входном и выходном фильтрах.

Но при реализации моделей с выходными напряжениями менее 5 В (3,3 В и ниже) из-за возрастающих потерь в выходных диодах КПД преобразователей катастрофически снижается. Обеспечивается высокий КПД мощных преобразователей применением синхронных выпрямителей — вместо прямого (D1) и возвратного диода (D1) используются полевые транзисторы. Это требует изменения топологии, выбора контроллера схемы управления, использования в качестве синхронных ключей радиационно-стойких MOSFET транзисторов с низким сопротивлением канала в открытом состоянии и зарядом затвора, а также низким сопротивлением затвора. Это значительно повышает стоимость изделия, применение дополнительных активных элементов снижает надёжность.

В случаях применения в источнике питания БА модулей серии HDCD/100W, для обеспечения питанием функциональных узлов аппаратуры, требующих низкие напряжения питания 3,3 В и ниже, рекомендуется применять радиационно-стойкие модули регуляторов напряжения с повышенными КПД без гальванической развязки — так называемые POL-преобразователи (Point of Load). Размещают эти модули максимально близко к нагрузке, что снижает влияние распределённой сети. Модули отличаются высокой скоростью нарастания тока нагрузки и небольшими размерами. Радиационно-стойкие локальные преобразователи напряжения выпускаются китайскими предприятиями c выходными токами до 20 A. Модули серии HDCD/100W с выходными напряжениями 5, 12 В можно применять для формирования промежуточной шины для подключения POL-преобразователей и формирования распределённой системы питания.

 

Конструкция

 

Корпус преобразователей выполнен из холоднокатаной стали марки 10# с никелевым покрытием, толщина покрытия составляет 4–15 мкм. Выводы изготовлены из композиционного медного сердечника; покрытие выводов — никелированное и золотое, толщина золотого покрытия составляет 1,3–5,7 мкм. Для надёжной герметизации корпуса применяется технологический процесс, называемый шовно – роликовой сваркой. В качестве материала для крышки и ободка используется ковар — сплав никеля (29%), кобальта (17%) и железа (53%). Использование данного материала обусловлено близким значением его температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) к значению этого параметра для керамики и стали марки 10# (13,9 × 10⁻⁶/K) и материала подложки из оксидированного алюминия Al₂O₃ (6,7 × 10⁻⁶/K), что обеспечивает небольшие механические напряжения в области их соединения при нагреве и, следовательно, высокую прочность. Изоляторы выводов изготавливаются из стеклобус, имеющие близкие по значению ТКЛР с материалом корпуса.  Компактность систем шовно – роликовой сварки позволяет интегрировать их в атмосферные камеры с поддержанием необходимого уровня вакуума, контролем параметров влажности и определённого состава атмосферы. Герметизация корпусов модулей проводится в атмосфере сухого азота под давлением 1 атм. Это обстоятельство необходимо учитывать при размещении преобразователей в вакууме, так как при внутреннем давлении около 1 атм, крышка преобразователя будет иметь склонность к изгибу. Поэтому необходимо предусмотреть дополнительное пространство, для того чтобы избежать механического воздействия оказываемое крышкой на другие компоненты. Для преобразователей с большими размерами корпуса отклонение крышки от нормального состояния может достигать 1 мм.

Герметизация методом шовно-роликовой сварки обеспечивает показатель герметичности корпусов по скорости утечки гелия не более 5×10^-5 (Па•м³)/c. Герметичность изделия при контроле влажности среды актуальна, так как продлевает срок службы микросхем и уменьшает вероятность выхода из строя из-за замыкания внутренних контактов.

В качестве материала подложки используется оксидированный алюминий (Al₂O₃).

Керамические конденсаторы, резисторы и бескорпусные микросхемы (кристаллы) устанавливаются на подложку из Al₂O₃ с использованием процессов склеивания или сварки.  Кристаллы силовых транзисторов MOSFET и выпрямительных диодов устанавливаются на подложку с использованием процесса пайки оплавлением. Силовой трансформатор крепится непосредственно к металлическому корпусу с помощью теплопроводящего клея, выводы силового трансформатора фиксируются клеем. Для обеспечения надёжной работы, применяемые клеящие материалы имеют максимально достижимые эксплуатационные характеристики в части теплопроводности, электропроводности, прочности, стабильности в условиях воздействия спецфакторов космического пространства. Подложка и металлический корпус скреплены методом пайки оплавлением, что способствует отводу тепла от устройства. Способы установки бескорпусных элементов позволяет обеспечить низкие тепловые сопротивления конструкции и не требуют для своего размещения значительных объёмов. Равномерность выделения теплоты по поверхности гибридной сборки достигается рассредоточением теплонагруженных элементов. Корпус имеет явно выраженную плоскую форму (рис. 5), дающую лучшее соотношение между поверхностью охлаждения и объёмом. Габаритные размеры корпуса 76,7×38,6×10,7 мм. Выводы расположены горизонтально относительно плоскости основания для объёмного монтажа.  Вес — 80±3 г.

Развитие техники, работающей в безвоздушной среде, стимулировало разработку методов теплоотвода посредством передачи теплоты через конструктивные элементы, обладающие достаточной теплопроводностью [7].

В условиях полной нагрузки при входном напряжении 100 В и температуре корпуса 125°C наиболее высокая температура приходится на силовой транзистор и диоды Шоттки. Параметры теплового сопротивления преобразователей на участке переход кристалла транзистора — корпус представлены в табл. 5. Данные могут быть использованы для расчёта теплового режима модулей преобразователей.

 

Таблица 5. Тепловые характеристики преобразователей и значения теплового сопротивления

Рис. 5. Внешний вид конструкции преобразователей напряжения серии HDCD/100W с явно выраженной плоской формой

 

При использовании модулей размер радиатора должен соответствовать требованиям к теплоотводу, чтобы обеспечить достаточный отвод тепла и повысить надежность устройства. Для обеспечения минимального теплового сопротивления контактная поверхность между нижней частью корпуса модуля и радиатором должна быть выполнена из теплопроводящих материалов, таких как термопаста и теплопроводящие пленочные прокладки. Плёночные прокладки на силиконовой основе с высокой теплопроводностью заполняет неровности микрорельефа поверхностей повышая теплопередачу.

Продолжение в журнале «Электронные Компоненты» №4-2026.

 

Литература

 

1. Харченко И.А. Общие критерии-рекомендации к проектированию конверторных модулей авиационно-бортовых вторичных источников электропитания. Электрическое питание. 2016. №2.
2. Сашин А. Импортозамещение по-русски: китайские ИC на российских КА. Компоненты и технологии. 2021. №6.
3. Дейнеко Д.С., Кастров М.Ю. Способы размагничивания трансформатора прямоходового преобразователя постоянного напряжения с помощью активного ограничителя. Практическая силовая электроника. 2010. № 1 (37).
4. Case Study: Radiation Design and Testing of Hybrid DC-DC Converters. April 2002 COTS Journal.
5. Карзов Б.Н., Соловьев И.Н., Ходырев Е.И. Обеспечение процесса резонансного размагничивания сердечника трансформатора в прямоходовом преобразователе напряжения, функционирующим в режиме ШИМ. Электрическое питание. 2023. №2.
6. Герасимов А.А., Кастров М.Ю. Разработка прямоходового преобразователя постоянного напряжения с одним силовым ключом и резонансным размагничиванием. Практическая силовая электроника. 2011. №1 (41).
7. Источники вторичного электропитания/С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович и др.; Под ред. Ю.И. Конева. — М.: Радио и связь, 1983. — 280 c., ил. — (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).