高低溫濕熱試驗箱 適用于對產品（整機）、零部件、材料進行高溫、低溫、高低溫循環(huán)試驗，以及恒定濕熱和交變濕熱試驗。本試驗箱可用于散熱試驗樣品和非散熱試驗樣品的試驗。對于散熱試驗樣品的試驗，其散熱功率不能超過試驗箱制冷量，因制冷量為動態(tài)值，其隨溫度點變化而有所變化，同時，較高濕度也會因散熱產品帶來熱量須冷卻平衡時引起凝露而受到影響。

高低溫濕熱試驗箱 標 準：

GB10589-89 低溫試驗箱技術條件；GB10592-89 高低溫試驗箱技術條件；

GB11158高溫試驗箱技術條件；GB/T10586-89 濕熱試驗箱技術條件；

GB/T2423.1-2008 低溫試驗箱試驗方法；GB/T2423.2-2008 高溫試驗箱試驗方法；GB/T2423.3-2006 濕熱試驗箱試驗方法；

GB/T2423.4-2008 交變濕熱試驗方法 ；GB/T2423.22-2002 溫度變化試驗方法；IEC60068-2-1.1990 低溫試驗箱試驗方法；

IEC60068-2-2.1974 高溫試驗箱試驗方法； GJB150.3 高溫試驗；GJB150.4 低溫試驗；   GJB150.9 濕熱試驗；

高低溫濕熱試驗箱 技術規(guī)格：

航天器件的可靠性一直被大家稱頌，除了“不惜血本”投入外，在可靠性設計與質量保證方面也有獨到的經驗。本文結合衛(wèi)星用DC/DC變換器研制過程中的情況，探秘可靠性設計方法，以及航天元器件質量保證方法。

衛(wèi)星用DC/DC變換器的高可靠和長壽命，是確保其完成飛行使命的基本條件之一。但人們對DC/DC變換器可靠性的認識通常集中在元器件固有質量或產品組裝工藝缺陷方面，往往忽略了系統(tǒng)設計（包括技術方案和電路拓撲設計、輸入/輸出接口設計、環(huán)境試驗條件適應性設計等）缺陷和電壓、電流和溫度應力對可靠性的影響。  

據美國海軍、電子實驗室的統(tǒng)計，整機出現故障的原因和各自的百分比如表1所示。  
 

日本的統(tǒng)計資料表明，可靠性問題的80％來源于設計方面（日本把元器件的選型和質量等級的確定以及元器件的負荷能力等都歸入設計上的原因）。國產星用DC/DC變換器雖然在軌試驗中尚未出現失效現象的歷史記錄，但在地面試驗中，已經有過不少的故障歸零報告，基本上屬于設計缺陷。  
以上統(tǒng)計數據表明，控制和減少由于技術方案選擇、電路拓撲設計以及元器件使用設計原因所造成的DC/DC變換器故障，具有重要意義。  

DC/DC變換器供電方式的選擇  

DC/DC變換器供電方式的不同，對整個供電系統(tǒng)的可靠性有重大影響。衛(wèi)星用DC/DC變換器的配電系統(tǒng)一般有兩種方式：集中式供電和分布式供電。  

集中式供電的優(yōu)點是DC/DC變換器數量少，有利于控制和減少電源的體積和重量，同時簡化了一次電源到DC/DC變換器之間的重復布線。缺點是電源的多負載，很難保證電源的輸出伏安特性滿足每個負載的要求。  

分布式供電系統(tǒng)的優(yōu)點是DC/DC變換器靠近供電負載，在減小傳輸損耗的同時提高了動態(tài)響應特性，這是解決低壓大電流（如2V/20A）問題的必須和WEI一技術途徑。這種供電方式的基本特征是將負載功率或負載特性分解，分擔給多個、電源模塊來承擔。  

從可靠性模型上來說，分布式供電系統(tǒng)的多個DC/DC變換器屬于可靠性并聯系統(tǒng)，容易組成N+1冗余供電，擴展功率也相對容易。所以，采用分布式供電系統(tǒng)，能夠滿足航天電源產品的可靠性方案設計要求。目前，國產衛(wèi)星DC/DC變換器拓撲結構，基本上實現了從分系統(tǒng)共用一個結構模塊電源的集中供電方式，過渡到采用通用化、模塊化、小型化的“三化”電源產品的分布式供電。  

因此綜合考慮用電系統(tǒng)的具體需求，選擇合理的供電方式對提高DC/DC變換器供電系統(tǒng)的可靠性具有至關重要的意義。  

電路拓撲的選擇與設計  
可供衛(wèi)星DC/DC變換器功率變換選用的基本電路拓撲有8種，分別是單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式、雙正激式、雙管正激式、半橋式、全橋式。  

前6種拓撲功率開關管在關閉時要承受2倍輸入電壓?？紤]到輸入電壓的變化范圍和電磁干擾電壓峰值，并要留有一定的安全余度，功率開關管的耐壓值，需要達到輸入額定電壓的4倍以上。例如，當輸入母線電壓+42V時，功率管的漏源電壓應該為200V。  

推挽和全橋拓撲有可能出現單向磁偏飽和現象，主要是兩路功率開關輪流導通時不*對稱，使充磁和退磁的兩個伏秒面積不等而造成的。一旦出現該現象，一只功率管會首先損壞。近年來，在國外對推挽拓撲的單向磁偏所進行的專題研究中，發(fā)現功率開關采用性能參數一致性好的MOSFET，就可以消除單向磁偏飽和現象。原因是MOSFET的導通損耗具有正溫度特性，可實現自動溫度平衡的功能，將自動維持兩管伏秒面積的等值性。這些結論，我們已經在多顆衛(wèi)星DC/DC變換器試驗中得到了驗證，應該說只要實施有效的可靠性技術措施，推挽拓撲的大電流、率、高可靠優(yōu)勢會充份地發(fā)揮出來。  

理論分析和實踐結果表明，半橋拓撲具有自動抗不平衡的能力。一般認為，500W以下，雙管正激和半橋拓撲具有較高的安全性和可靠性。  

單端反激拓撲不適用于負載電流大范圍變化的情況，空載時的輸出電壓也會明顯增高。目前，國內外廣泛采用外接電阻負載克服空載失控現象，但這會降低電源效率。由于電源輸出功率與外接電阻值成反比關系，因此，單端反激拓撲只適用于輸出功率較小的場合。
失效模式及影響分析（FMEA） 
失效模式及影響分析是指，在產品設計過程中，對組成產品的所有部件、元器件可能發(fā)生的故障造成的影響進行分析，并規(guī)劃糾正措施。  

元器件的故障模式參照GJB電子設備可靠性預計手冊。分析中不考慮無關的雙重故障，但考慮單一故障引起的連鎖影響，即二次故障。  

由于航天器DC/DC變換器的高可靠要求，供電系統(tǒng)不允許單點故障的存在，因此一般要考慮備份冗余設計。但不是說考慮了備份冗余以后，進行FMEA的結果就不存在單點故障。因為，往往表面上看不是單點故障的失效模式，深入分析后就會發(fā)現由于共陰模式的存在而導致單點失效。  

例如，某DC/DC變換器主要功能電路如圖1所示。  
 

DC/DC變換器電路框圖  

按照圖1所示的DC/DC變換器電路原理框圖，建立相應的可靠性計算模型。  

DC/DC變換器可靠性框圖  

其中，λ1、R1為輸入濾波電路的失效率、可靠度；λ2、R2為主電路的失效率、可靠度；λ3、R3為輸出濾波電路的失效率、可靠度。可靠性模型中的主電路內部各功能電路為串聯結構。  

所示可以計算其可靠度。  

RS=R1·R2·R3    （1）  

其可靠度計算結果為（45℃，3年）：0.993 14。  

如果對上述DC/DC變換器進行備份冗余設計后，其電路如圖3所示。  

備份冗余后DC/DC變換器電路框圖  

建立相應的可靠性計算模型圖。  

其中，λ1、R1為輸入濾波電路的失效率、可靠度；λ2、R2為主備份電路的失效率、可靠度；λ3、R3為輸出濾波電路的失效率、可靠度?？煽啃阅Ｐ椭械闹麟娐穬炔扛鞴δ茈娐窞榇摻Y構。  

可以計算其可靠度。  

RS=R1·[1-2(1-R2)]·R3    （2）  

計算結果為（45℃，3年）：0.999 65。  

可見，進行備份冗余設計后，DC/DC變換器的可靠度可以大大提高。  

降額設計  

因電子產品的可靠性對電應力和溫度應力較敏感，故而降額設計技術對電子產品則顯得尤為重要，成為可靠性設計中*的組成部分。按照GJBZ35-93的要求，航天器所用元器件的所有參數必須實施Ⅰ級降額。  

DC/DC變換器中所用元器件種類較多，有阻容器件、大功率半導體器件、電感器件、繼電器、保險絲等，針對不同器件要分析需要降額的所有參數，且要綜合考慮。而且，對同一器件不同參數做降額時要考慮參數之間的相互影響，即一個參數作調整時往往會帶  

來其他工作參數的變化。對半導體器件，即使是各參數均降額了，終還要歸結到結溫是否滿足降額要求。  

降額設計要建立在對電路工作狀態(tài)認真分析的基礎上，確認達到預期效果。例如，對電容器額定電壓的降額，由于器件特性的差異（如漏電流、RSE等)，簡單串聯后并不能*降額要求。  

熱設計  

產品研制經驗告訴我們，熱應力對電源可靠性的影響往往不亞于電應力。電源內部功率器件的局部過熱，包括輸出整流管的發(fā)熱，很可能導致失效現象發(fā)生。當溫度超過一定值時，失效率呈指數規(guī)律增加，當達到極限值時將導致元器件失效。國外統(tǒng)計資料指出，溫度每升高2℃，電子元器件的可靠性下降10％，器件溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6，足見熱設計的必要性。電源熱設計的原則有兩個：一是提高功率變換效率，選用導通壓降小的元器件簡化電路，減少發(fā)熱源。二是實施熱轉移和熱平衡措施，防止和杜絕局部發(fā)熱現象。  

由于衛(wèi)星所處空間環(huán)境的影響，散熱方式只有輻射和傳導，且由于安裝位置的影響，DC/DC變換器一般主要通過傳導進行散熱，也就是通過機殼安裝面，將DC/DC變換器產生的熱量經設備結構傳導到設備殼體，再由設備安裝面?zhèn)鲗У叫l(wèi)星殼體，由整星進行溫控。  

1 MOSFET熱耗控制  

MOSFET的熱耗主要來自導通損耗、開關損耗兩部分。導通損耗是由于MOSFET的導通電阻產生的，開關損耗是由MOSFET的開啟和關斷特性產生的，而MOSFET的開啟和關斷特性取決于MOSFET的器件參數（如輸入電容）、驅動波形、工作頻率、電路寄生參數等因素。  

開關損耗的控制主要有以下幾點。  

①針對不同的MOSFET設計各自的柵極驅動，加速MOSFET的開啟和關斷。另外，通過驅動加速電容，使得驅動波形的上升沿時間縮短。  

②綜合考慮設計合理的工作頻率。  

③通過變壓器繞制工藝設計，控制變壓器的漏感，進而減小MOSFET的漏源極電壓尖峰。如反激型變壓器設計就采用“三明治”式繞法，即初級繞組先繞一半，再繞次級繞組，繞后再將初級繞組剩余的匝數繞完，后將次級繞組包裹在里面，這樣漏感小。   

④通過吸收電路的設計，進一步控制由于變壓器漏感引起的MOSFET漏源極電壓尖峰。設計原則是吸收電路的自身損耗較小且盡可能有效地控制電壓尖峰。  

一般通過上述電路設計，MOSFET熱耗可以達到比較理想的結果。  

2 變壓器熱耗控制  

變壓器熱耗主要來自磁滯損耗、渦流損耗和電阻損耗。磁滯損耗與變壓器繞組和工作方式有關，可以由公式（3）表示。渦流損耗是由磁芯內環(huán)流造成的；電阻損耗是由變壓器繞組電阻產生的，分直流電阻損耗和集膚效應電阻損耗兩種。  

Peddy≈khVefSWB2MAX    （3）  

式中，Kh——材料的磁滯損耗常數；  

Ve——磁芯體積，單位為cm3；  

fSW——開關頻率，單位為Hz；  

BMAX——工作磁通密度的大偏移值，單位為G。  

對磁滯損耗的控制設計中主要有以下幾點。  

① 設計比較合適的工作頻率；  

② 合適的初級繞組匝數；  

③ 工作磁通密度的大偏移值的降額設計。  

在電阻損耗的控制設計中，盡量采用多股線替代單根線，從而將變壓器磁芯繞滿。  

3 輸出整流電路熱耗控制  

輸出整流電路的熱耗主要由整流二極管產生，整流二極管熱耗主要來自導通損耗、開關損耗兩部分。對于導通損耗的控制設計主要是根據輸出電流和工作頻率選擇合適的整流二極管，如快恢復二極管或肖特基二極管。  

對于開關損耗的控制主要有以下幾點。  

①選擇反向恢復特性好的整流管；  

②通過吸收電路的設計，控制整流管反向電壓尖峰。  

衛(wèi)星DC/DC變換器的可靠性分析與計算  

產品的可靠性取決于產品的失效率，而失效率隨工作時間的變化具有不同的特點。根據長期以來的理論研究和數據統(tǒng)計可發(fā)現，由許多元器件構成的機器、設備或系統(tǒng)，在不進行預防性維修時，或者不可修復的產品，其失效率曲線的典型形態(tài)相似于浴盆的剖面，所以又稱為浴盆曲線（Bathtub-curve）。  失效率明顯地分為三個不同的階段或時期。段曲線是元件的早期失效期，表明元件在開始使用時的失效率很高，但隨著產品工作時間的增加，失效率迅速降低，屬于遞減型——DFR（Decreasing Failure Rate）型。其失效原因大多屬于設計缺陷、制造工藝缺陷和元器件固有缺陷一類。為了縮短早期失效的時間，產品應在投入運行之前進行試運轉，以便及早發(fā)現、修正和排除缺陷；或通過試驗進行篩選和淘汰次品，以便改善其技術狀態(tài)。  
第二階段曲線是元件的偶然（也稱隨機）失效期，特點是失效率低且穩(wěn)定，可近似看做常數，失效屬于恒定期——CFR（Constant Failure Rate）型。產品的可靠性指標所描述的就是這個時期，它是產品的良好使用階段。產品的壽命試驗、可靠性試驗一般都是在偶然失效期進行的。  
產品的失效是由多種不太嚴重的偶然因素引起的，通常是產品設計余度不夠造成隨機失效。研究這一時期的失效原因，對提高產品的可靠性具有重要意義。因為在這一階段中，產品失效率近似為一個常數。  

第三段曲線是元件的損耗失效期，失效率隨時間延長而急速增加，元件的失效率屬于遞增型——IFR（Increasing failure Rate）型。到了此時，元件損傷嚴重或已經疲勞，壽命即將結束。  

一般在進行可靠度預計時，進口元器件失效率數據參考MIL-HDBK-217F，國產元器件失效率數據參考GJB/Z 299C。 
航天電子元器件的質量保證
　　元器件的質量保證是航天產品質量保證的重要組成部分,包括生產過程的質量保證和非生產過程的質量保證(或稱應用領域的質量保證)兩部分。元器件質量保證流程包括:選用、采購、監(jiān)制、下廠驗收、到貨檢驗、補充篩選、特殊試驗、發(fā)放、貯存和傳遞、裝聯、調試、整機現場使用、失效分析、質量反饋等過程。
（1）元器件保證大綱
　　航天產品方案論證階段結束后應編制元器件保證大綱,作為產品研制階段組織實施和監(jiān)督檢查元器件保證工作的依據。元器件保證大綱在各個研制階段有不同的內容和要求,因此,各個研制階段需要修訂元器件保證大綱。首先要落實元器件保證大綱應包括的主要內容,明確擬制單位以及檢查執(zhí)行情況的方法。
（2）元器件的合理選用　　根據元器件在電路中的使用特性進行設計分析并合理選用元器件,是航天產品元器件可靠性的基礎。要明確設計師系統(tǒng)選用元器件的基本準則,如降額使用、容差設計、質量等級以及質量等級的繼承性等。特別要考慮航天產品用元器件的特殊環(huán)境適應能力,例如熱設計方案、靜電敏感元器件靜電敏感度的選擇和半導體器件的輻射強度保證(RHA)等級的選擇。設計師系統(tǒng)在依照元器件選用準則選擇元器件時,應SOU選型號產品優(yōu)選目錄內的元器件,如選用目錄以外的廠點和產品時,必須按航天產品的規(guī)定填寫選用目錄外電子元器件申請表并簽署完整后,上報總體單位,經總體單位評審、批準返回后方可選用。
（3）規(guī)范采購與庫存管理　　按照航天系統(tǒng)要求,元器件采購必須按照“走規(guī)定渠道,趕階段計劃,抓質量保證”的原則,由有關廠(所)編制元器件采購文件,經型號總體組織專門審查。然后,型號總體統(tǒng)一組織有關廠(所),按照通過審查的采購文件簽訂訂貨合同。元器件采購應貫徹“保證質量,控制進度,節(jié)省經費,盡量集中”的方針,變單純買賣元器件為積極主動參與元器件的質量管理。要明確采購文件的組成、采購清單的評審要求和采購標準或規(guī)范的主要內容。 元器件的庫存管理直接關系到元器件的使用質量,因此要明確元器件的貯存條件、庫房的管理要求,建立元器件發(fā)放制度,提出對失效元器件的管理要求。
（4）元器件的監(jiān)制、試驗和驗收　　按《中國航天工業(yè)總公司航天型號用元器件質量管理規(guī)定》要求,元器件質量管理必須全面貫徹“統(tǒng)一組織、源頭抓起、嚴格管理、照章辦事”的原則,元器件質量管理工作實行總公司、型號總體院(基地)和廠(所)三級管理,以型號總體院(基地)為主的原則。型號總體院(基地)必須對型號配套的所有分系統(tǒng)用元器件的質量進行統(tǒng)一監(jiān)控。由航天科技集團公司電子元器件可靠性中心具體實施管理,把好電子元器件入口關、檢驗關、使用關。其主要職責為:負責電子元器件下廠監(jiān)制和驗收、到貨檢驗、補充篩選、簽發(fā)裝機合格證、失效分析等;負責電子元器件可靠性數據的采集和處理,并及時向用戶反饋電子元器件質量信息;按照航天總體的其他規(guī)定實施電子元器件質量控制。元器件的生產、試驗和驗收,是保證元器件質量的重要環(huán)節(jié),也是航天產品元器件可靠性的關鍵控制點,其過程控制的好壞決定了元器件的固有質量。電子元器件按功能劃分,有電子元件、分立器件和微電路等;按采購渠道劃分,有進口和國產元器件之分;按產品成熟性劃分,有貨架產品和新品器件。不同元器件有不同的控制要求,在下廠監(jiān)制和驗收、到貨檢驗時應有不同的處理方法和程序。因此,應將元器件分門別類地進行劃分,規(guī)定各類元器件的監(jiān)制方式、特殊試驗要求和驗收辦法,并明確相應的程序和執(zhí)行單位或部門。
（5）補充篩選(二次篩選)管理　　對于驗收合格的元器件,必須根據實際產品對元器件質量控制要求進行補充篩選(二次篩選),按照不同產品的不同階段明確補充篩選的要求、委托單位、委托程序和補充篩選后元器件的處理辦法。
（6）破壞性物理分析　　元器件DPA(破壞性物理分析)的主要目的是要防止有明顯或潛在缺陷的元器件裝機使用。除用于元器件的質量鑒定外,在航天產品中,還用于元器件的驗收、裝機前元器件的質量復查、元器件超期復驗以及元器件的失效分析。在一般產品上,DPA通常用于已裝機元器件的質量驗證。在航天產品上,DPA必須在元器件裝機以前完成,因此,需明確航天產品用元器件進行DPA的時機、DPA的試驗項目、實施DPA的機構、DPA的數據記錄要求和DPA結果的處理方法。
（7）元器件的裝機控制　　元器件在裝配過程中的質量控制也是元器件可靠性控制的重要環(huán)節(jié)之一。必須對操作和檢驗提出明確的控制要求,特別是對于裝配、調試過程中出現的失效元器件,一定要詳細規(guī)定處理程序、處理方法和責任部門,以確保裝配、調試過程中元器件的質量控制。
（8）元器件的失效分析方法　　元器件失效分析的主要任務是對失效的元器件進行必要的電、物理、化學的檢測,并結合元器件失效前后的具體情況及有關技術文件進行分析,以確定元器件的失效模式、失效機理和造成失效的原因。通過失效分析可以發(fā)現失效元器件的固有質量問題,也有可能發(fā)現元器件因不按規(guī)定條件使用而失效的使用質量問題,通過向有關方面反饋,促使責任方采取糾正措施,提高元器件的固有質量或使用質量。相對來說,失效模式的確定比較簡單,而確定失效機理的難度較大,分析人員必須掌握元器件的設計、工藝和有關的理化知識,并有一定的實踐經驗。此外,還要具備較復雜的儀器、設備。在明確失效機理后,還必須找出失效原因,才能避免重復失效,提高元器件的固有質量或使用質量。但根據失效機理確定失效原因,往往涉及失效現場和責任人等具體情況,確定起來有相當大的難度。因此,首先要確定進行失效分析的單位,規(guī)定提交失效分析的程序和失效信息,以及產品研制各階段失效元器件的失效信息記錄要求等,然后,根據失效分析的結論,對引起失效的原因進行歸零處理。若為設計缺陷,應和生產廠家一起找出問題所在并進行改進;若為操作失誤,必須嚴格操作規(guī)范,避免引入人為的失誤。從而達到失效分析的目的,使器件制造和生產操作更上一個臺階。
（9）元器件質量信息的管理　　在元器件選用、采購、監(jiān)制和驗收、篩選和復驗以及失效分析5個質量保證環(huán)節(jié)中,存在大量的元器件質量信息,例如,選用目錄外元器件的規(guī)格、型號、生產廠商、質量等級以及在航天產品上的使用情況;國內新品器件的研制廠家及新品器件使用情況;進口器件的質量保證情況;元器件失效分析報告和處理情況等。這些信息對于從事航天產品研究的單位來說都是極大的財富,應該建立起航天產品元器件信息庫,以積累寶貴的經驗,為后續(xù)航天產品的的研制提供服務。要建立航天產品元器件信息庫,就要明確管理信息庫的相應部門,規(guī)定信息庫中收集、處理和保管元器件信息的種類、保管信息的時間、提供信息的方法。