宇航用典型DC/DC抗单粒子效应性能浅析

当前卫星等航天器的电源系统大量使用DC/DC转换器，作为电源系统的核心关键器件，为各单机电路...



当前卫星等航天器的电源系统大量使用DC/DC转换器，作为电源系统的核心关键器件，为各单机电路提供所需电压。当前DC/DC内部普遍采用VDMOS器件，起到开关和线性放大作用，由于空间辐射会导致VDMOS性能退化，影响DC/DC效率下降或失效，之前已经出现了多起与单粒子效应有关的器件失效问题。

宇航型号使用的DC/DC有国产和进口产品，根据型号实际情况选取国外公司几款典型产品开展单粒子效应分析，了解产品抗辐照能力，从而为卫星用元器件的选型提供数据支撑。利用HI-13串列加速器，测量不同LET值辐照下单粒子效应，了解器件抗单粒子能力。试验中的离子信息见下表。

离子种类

能量/MeV

入射角度

Si中射程/μm

Si中LET值

/MeVcm²/mg

35Cl

150

0

42.8

13.4

56Fe

170

030.8

27.9

74Ge

210

030.5

37.3

79Au

300

027.3

81.3

试验过程中分别在不同LET值下，记录器件效应情况，结果如下。

1）在LET=13.4MeV·cm²/mg下，器件没有出现输出电压突降为零的现象，证明其内部的VDMOS没有发生单粒子烧毁及栅穿效应；但部分规格器件出现了单粒子瞬态效应，频率约3-4s一次，出现向下“毛刺尖峰”，其幅度最大为0.4V左右，最大持续时间为几十个μs量级。

2）在LET= 27.9MeV·cm²/mg下，器件没有发生单粒子烧毁及栅穿效应。但部分规格器件出现了单粒子瞬态效应，频率约3-4s一次，出现向下“毛刺尖峰”，其幅度最大为0.3V左右，最大持续时间为几十个μs量级。而将输入电压增加至42V时，部分规格器件出现输出电压突降为零的现象，但停束断电重启后输出电压又恢复正常，共发生5次单粒子功能中断现象。

3）在LET=37.3MeV·cm²/mg下，器件同样没有发生单粒子烧毁及栅穿效应。但部分规格器件单粒子瞬态效应愈加严重，“毛刺尖峰”的幅度最大为0.8V左右，最大持续时间为ms量级。而将输入电压增加至42V时，则出现了5次单粒子功能中断现象。

4）在LET=81.3MeV·cm²/mg下，部分规格器件出现电压突降为零的现象，并且断电重启后无法恢复。部分规格器件单粒子瞬态效应非常严重，基本无稳定输出电压。

DC/DC单粒子烧毁及栅穿是由于器件内部的功率MOSFET受辐照引起的，其表现主要是重离子辐照下器件的输出电压突降为0，并且重启后无法恢复，属于破坏性效应。而单粒子瞬态效应主要是其内部的PWM脉宽调制器受到重离子辐照引起的，属于非破坏性效应。DC/DC在28V供电条件下，LET值37MeV·cm²/mg 的离子辐照下发生单粒子功能中断的概率较低。而在42V供电条件下，LET值为27.9MeV·cm²/mg离子辐照下，易发生单粒子功能中断，但断电重启后即可恢复。当LET值达到81.3MeV·cm²/mg时，器件存在永久性失效的可能。

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