太空中的電子系統面臨諸多危險，包括持續受到電磁波和粒子輻射的影響。半導體器件特別容易受到粒子輻射的影響，這可能導致系統故障甚至永久性損壞。

然而，并非所有太空應用都需要相同程度的輻射防護。例如，深空探測任務使用昂貴的耐輻射強化組件；而當今的新太空應用，如運行在 LEO（低地球軌道）和 MEO（中地球軌道）的衛星，則只需要“耐輻射”的組件和電路。

如圖 1 所示，電磁波輻射和粒子輻射雖然相關，但對系統的影響卻有所不同。單個粒子的質量雖小，但可以加速到極高的速度。它們還可能攜帶電荷——通常由于原子軌道中的負電荷電子被剝離而帶正電荷。

圖 1：輻射譜。

粒子輻射可能造成物理損壞，尤其是對半導體晶格結構的破壞，這種損傷可能是永久性的和/或累積性的。當電子被拖入耗盡區并使非導電區導電時，系統也會出現暫時性故障。

另一方面，如果正離子取代晶體矩陣中的摻雜原子，就可能造成永久性損傷，使不應導電的半導體開始導電，從而因電路故障而造成永久性損壞。

很大一部分輻射損傷是累積性的，所以任務的持續時間將始終是一個無法回避的因素。

最佳實踐

在當今迅速發展的新太空商業環境中，發射和更換失效衛星的成本十分高昂，因此精心設計至關重要。

選擇耐輻射的組件。某些半導體工藝節點改進了耐輻射性能。雙極型半導體可以根據位移損傷等級進行選擇，而寬帶隙（GaN）場效應晶體管（FET）具有固有的耐輻射能力。某些環氧樹脂和鋁電解電容在真空中會釋放氣體，因此不適合在太空環境中使用。

考慮到不同批次之間的差異，應對多批次產品的耐輻射性能進行抽樣測試。

可以采用多重冗余設計。物理冗余是一種保障措施。如果一個系統失效，另一個可以接替工作。在某些系統中，有三個并行運行的系統，如果其中一個與另外兩個不一致，其輸出就可以被忽略。

可以降低功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的額定值，這樣即使在不可避免的柵源電壓（VGS）閾值降級后，器件在任務結束時仍能正常工作。

屏蔽可以保護敏感的電子設備，但如果粒子能量足夠高，級聯的屏蔽粒子反而可能加劇問題。

可以添加電路來監控性能，如果故障可恢復，則可以斷開并重啟不一致的系統。

然而，無論采用什么設計策略和電源拓撲結構，新太空電子系統都必須經過嚴格的分析、仿真和測試，以確保其環境和耐輻射性能。

帶來競爭優勢

軟開關拓撲結構（相比于硬開關電源轉換器）能夠降低寄生效應對系統的影響，如增加開關組件的電壓應力引起的振鈴現象。

評估拓撲結構時需要考慮的因素包括功率密度、效率、瞬態響應、輸出紋波、電磁干擾（EMI）輻射以及成本。

MOSFET 的開關損耗主要來自柵極電荷需求和漏源電容。

隨著開關頻率的提高，開關損耗也會增加，這就限制了開關頻率的進一步提升。體二極管的導通損耗進一步降低了硬開關轉換器的電源轉換效率。

雖然 GaN FET 沒有物理的體二極管，但它們確實有一個電壓為幾伏特的反向導通模式，這使得 GaN器件的死區導通期變得非常難以管理。

在同步硬開關降壓拓撲中，高邊 FET 在其兩端電壓最大時開啟，并在工作周期的開通階段導通最大電流（如圖 2 左側所示）。輸入電壓越高，功率損耗就越大，因此在高電壓比應用中（如 28V 降至 3.3V），轉換器的效率會比轉換比更高的轉換器（如 5V 降至 2.5V）要差。

圖 2：拓撲寄生效應。傳統硬開關降壓轉換器（左）與零電壓開關（ZVS）降壓轉換器（右）對比。

“在當今迅速發展的新太空商業環境中，發射和更換失效衛星的成本十分高昂，因此精心設計至關重要。”

軟開關的優勢

軟開關技術可以減少開關損耗。零電壓開關（ZVS）技術是軟開關的一種典型應用，它提高了各種電源拓撲的轉換效率。ZVS 在開關電壓接近零或為零時開啟高邊 FET（參見圖 2 右側）。

利用 ZVS 技術操作鉗位開關，可以在高低邊開關都關閉時，在輸出電感中儲存少量能量。轉換器利用這部分原本會被浪費的能量來對高邊 FET 的輸出電容進行放電，并給同步 FET 的輸出寄生電容充電。

通過消除 FET 輸出電容在開關開啟過程中的影響，設計人員可以不用過分關注柵極-漏極電容（Cgd），而將注意力集中在導通狀態下的通道電阻上，而不是通道電阻與柵極電容的乘積等傳統的性能指標。

這種在開啟期間驅動高邊 FET 的方法可以避免激發開關的寄生電感和電容，這些寄生參數在硬開關拓撲中往往會產生諧振，引起大幅電壓尖峰和振鈴（見圖 3a）。通過消除尖峰和減少振鈴（見圖 3b），ZVS 技術不僅減少了一個功率損耗項，還消除了一個電磁干擾（EMI）源。

圖 3：硬開關與軟開關波形對比。

通過消除開關過程中的電壓尖峰，設計人員可以選用導通電阻（RDSON）更低的低電壓場效應晶體管（FET），從而提高效率。

Vicor 是眾多開發軟開關技術的公司之一，并將其運用于耐輻射電源模塊解決方案，為中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）衛星應用的高性能通信 ASIC 供電（見圖 4）。這些系統模塊在 PRM（電源調節模塊）中使用零電壓開關（ZVS）降壓-升壓拓撲結構，而在 BCM（母線轉換器模塊）和 VTM（電壓轉換器模塊）中則同時運用了零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）正弦幅值轉換器（SAC）技術。

圖 4: 高功率諧振（零電壓開關和零電流開關）拓撲模塊。

電壓轉換模塊（VTM）體積小巧，可以盡可能靠近 ASIC 放置。在滿足現代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 等的大電流需求時，優化配電網絡（PDN）至關重要。

因此，Vicor 公司的模塊結合了軟開關方案、耐輻射的有源組件和車規級無源組件。

為了降低單事件功能中斷的影響，所有耐輻射模塊都包含完全冗余的并聯動力系統。如果一個動力系統因單一事件而受到干擾，其保護電路會強制執行斷電復位。在復位期間，冗余動力系統承擔全部負載，復位完成后兩個動力系統再次并聯運行。

設計新的太空電源轉換器時，選擇合適的拓撲結構和開關模式也是非常重要的考慮因素，此外還有許多其他因素需要權衡。