卫星载荷二次电源用MOSFET的抗辐射设计及验证

任 飞，纪志坡，张国帅，万成安

（北京卫星制造厂，北京 100190）

卫星载荷二次电源用MOSFET的抗辐射设计及验证

任 飞，纪志坡，张国帅，万成安

（北京卫星制造厂，北京 100190）

针对某卫星载荷二次电源所面临的空间总剂量辐射环境及其效应，进行了二次电源用3款MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）的抗辐射总剂量设计，通过使用钽片加固及合理的结构布局防护使该3款MOSFET的辐照设计余量（RDM）均不小于3。开展总剂量辐照试验验证，对比参数变化得出MOSFET的抗电离总剂量数据，验证了加固设计的有效性。采用经过抗辐射设计的非宇航级元器件将成为空间降成本应用的趋势之一。

二次电源；MOSFET；抗辐射加固；总剂量辐照；试验研究

0 引言

在航天器二次电源设计中，空间飞行器载荷对电源的要求越来越高，仅仅依靠现有的宇航级抗辐射器件和技术已经远远不能满足系统对二次电源的特殊需求，且宇航高等级元器件的可获得性较差，价格也始终居高不下，使得非宇航级元器件的应用需求不断增长。

某卫星载荷二次电源系此种载荷首次自主研发的国产二次电源，需要在元器件的选用上综合考虑应用环境、研制进度及成本等多种因素，其中针对辐射敏感元器件的选用主要考虑以下2条途径[1]：

1）优先采用抗辐射加固器件（选用宇航级器件，具备抗辐射指标）；

2）综合考虑周期、成本等因素，采用低等级元器件，通过抗辐射分析和加固，使元器件满足系统的抗辐射要求。

实际选用中，大部分辐射敏感元器件均按照第1种途径进行选择；但由于周期等其他影响因素，还依据第2种途径和文献[2-3]选用了3款无抗辐射指标的 MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）。本文将对这3款MOSFET的抗辐射设计、验证情况进行介绍。

1 抗辐射设计背景

1.1 一般考虑

抗辐射设计中一般须考虑的辐射效应主要有总剂量效应（TID）、单粒子效应（SEE）、内带电效应、表面充放电效应[6-7]，详见表1。根据卫星工作环境（太阳同步轨道，高度500～700 km，设计寿命不少于 5年）[4-5]以及卫星载荷二次电源所处位置（卫星结构体外部，属于星外设备）和所用元器件种类，确定卫星载荷二次电源的抗辐射设计中可不考虑单粒子效应[8]和带电效应。本文重点针对总剂量效应进行分析。

表1 抗辐射设计考虑的效应及对应元器件Table 1 The anti-radiation design of electronical components

1.2 判断准则

最大可耐总剂量指在电子器件的特性（电流、电压门限值、转换时间）发生重大变化前，器件所能承受的总吸收能量级，超过这个能量级后器件就不能正常工作（出现永久故障）[9]。电离总剂量效应防护设计时，需要考虑一定的设计余量，即辐照设计余量（RDM），用器件本身可承受的辐照剂量水平（Dose Level, DL）和设计剂量（Design Dose, DD）的比值来表示，即RDM=DL/DD。DL值可从器件厂家手册资料中或必要的抗辐照试验中获得（本文专门针对相关元器件进行了抗辐射能力验证试验，详见第3章）；DD值由抗辐射设计计算获得。抗辐射设计的最终目标是获取元器件的RDM值，来判断设计是否达到要求。一般要求二次电源产品的RDM＞2。

2 抗辐射设计分析

总剂量效应会导致功率MOSFET阈值电压漂移、漏电流增大等，因此，要针对该效应进行抗辐射防护设计，并对设计后器件的RDM值进行核算。

2.1 计算分析

由于载荷电源机箱是一个六面体，抗辐射设计以六面体方法进行计算[10]。即认为空间带电粒子分别从垂直于机箱6个表面的方向（±x、±y、±z6个方向，参见图1）入射，每个表面对应的辐射立体角为 4π/6。分别计算各个方向上的等效铝屏蔽厚度，计为L+x、L-x、L+y、L-y、L+z和L-z。

图1 载荷电源的整体结构Fig.1 The overall structure of the payload supply

在辐射剂量一维分析结果（剂量–深度曲线）中，分别查出屏蔽厚度为L+x、L-x、L+y、L-y、L+z和L-z的辐射剂量值D+x、D-x、D+y、D-y、D+z和D-z，再由各个方向的立体角核算该方向的辐射剂量，则该设备内部关键元器件位置处的辐射剂量近似为6个方向辐射剂量之和。

2.2 抗电离总剂量要求满足度分析

该载荷二次电源中选用的 3款无抗辐射指标的MOSFET的抗电离总剂量能力及RDM分析结果见表2，其RDM值均能满足＞2的要求，但抗辐射的余量较小，RDM值最低的仅为2.15。

表2 抗总剂量要求满足度清单Table 2 The RDM list of MOSFET

表2（续）

2.3 抗电离总剂量加固防护

对RDM值较低的剂量点，进行抗辐射加固设计。首先考虑优化元器件布局，将一些质量和体积较大而对辐射不敏感的元器件安装布局在辐射敏感器件的周围起防护作用；然后对辐射敏感器件剂量点的RDM进行重新分析计算，如还不能满足要求，则考虑局部增加壳体厚度、利用专门的抗辐射材料进行局部加固防护；之后再对这些剂量点重新核算RDM，最终保证辐射敏感器件的RDM＞3，抗辐射设计满足要求。

由于该载荷电源体积小，安装密度大，元器件布局和机箱结构优化空间十分有限，所以选用专门的耐辐射材料进行局部加固防护设计。局部加固后剂量点的辐照剂量分析及抗总剂量要求满足度清单见表3。

表3 经局部加固后抗总剂量要求满足度清单Table 3 The RDM list after radiation hardening

由表3可见，经过局部加钽片的抗辐射加固措施后，各个剂量点的RDM值均＞3（最小值为3.16），满足抗辐射设计的要求，且保留一定的余量。

此外，除1M1、1M2为在轨5年长期工作外，其他MOS管均长期处于非工作状态，即只在载荷电源工作时才工作，实际工作时间小于5000 h。根据文献[11]，通常对工作状态的元器件才有明显的电离总剂量效应。而实际样品试验时，3款MOSFET的漏偏置辐照试验样品的电性能均正常，表明它们的RDM值在表3提供的数据基础上还是有一定余量的。

同时，IRF7NA2907封装为SMD-2，IRF7N1405封装为SMD-1。由于单个SMD-2封装的器件外加钽片增加的质量约为1.19 g，单个SMD-1封装的器件外加钽片增加的质量约为0.96 g，所以二次电源增加的总质量约为11.5 g（钽的密度为16.67 g/cm3），对于载荷电源整体质量的影响是很小的。加钽片的辐射加固措施如图2所示，图中同时给出了实际产品在加固前和加固后的对比照片。

图2 加钽片的抗辐射加固安装方式Fig.2 The installation of tantalum sheet for radiation hardening

3 MOSFET的总剂量辐照试验

对于MOSFET这类辐射敏感器件，若没有厂家提供的抗辐射性能证书或其他相关试验数据证明器件的抗辐射能力，则须进行抗辐射性能验证试验。由于低剂量率的辐照试验时间较长，文献[12]中用高剂量率辐照后高温退火的方法评估器件的总剂量辐照损伤，试验数据同样有效，具备参考价值。2014年 6月，作者所在研究团队针对上述 3款MOSFET开展了抗辐射性能验证试验。下面对试验的方案和实际实施情况进行说明。

3.1 验证试验方案

依据标准《GJB 128A—1997 半导体分立器件试验方法》[13]和《QJ 10004—2008 宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》[14]中的相关要求制定了试验方案，主要内容如下。

3.1.1 试验的实施流程

试验的实施流程见图3。

图3 辐照试验流程图Fig.3 The flow chart of radiation test

3.1.2 试验样品的选取

受试样品均为电参数合格产品，每个型号的样品数量为7只，其中3只加偏置辐照A，3只加偏置辐照B，1只不加辐照，用于做对比测试。

3.1.3 辐照源与辐照参数

采用60Coγ射线源，剂量率为0.01～0.1 rad(Si)/s，剂量率计量不确定度小于5%。

对器件施加累积剂量为5、10、15和22.5 krad(Si)的辐照并加速高温退火后，进行电参数测试。其中22.5 krad(Si)为 15 krad辐照评估剂量的 50%过辐照剂量点。

对受试器件所施加的偏置辐照参数如下：

A：VGS=10 V，并在电源端接入R=2 kΩ（1/4 W）的保护电阻，VDS=0 V；

B：VDS=120 V，并在电源端接入R=2 kΩ（1/4 W）的保护电阻，VGS=0 V。

3.1.4 电参数测试及判断

采用移位测量方法对样品逐一进行电参数（见表4）测试，辐照后电参数测试的时间间隔应符合《QJ 10004—2008》标准的规定，为测试而中断的辐照时间应不超过2 h。

表4 电参数测试项Table 4 The electrical parameters of MOSFET

3.1.5 设备连接

试验设备连接见图4。

图4 试验设备连接Fig.4 The test equipment connection

3.2 试验结果及结论

按照实施方案开展了抗辐射验证试验。试验辐照累积剂量达到 15 krad(Si)并按要求退火后，各试样的电性能均正常。继续施加辐照，累积剂量达到50%过辐照剂量点后，再次进行电性能测试，3个型号共9只漏偏置辐照试样的电性能均正常，3个型号共9只栅偏置辐照试样的电性能均不正常。随后，对所有偏置辐照试样进行了高温加速退火，退火后各试样的电性能均为正常，测试结果与文献[15]相一致。

经过辐照试验证明，3款MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）均具有15～20 krad(Si)的抗辐射能力。

4 结束语

通过抗辐射加固设计分析及辐照试验验证，证实某卫星载荷二次电源在轨运行期间能给其内部电子元器件提供一个良好的、足够抵抗空间恶劣辐射条件的内部环境，电源内部选用的3款MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）的辐射设计余量（RDM）均满足不小于 3的要求，可避免因空间辐射导致器件性能失效，确保电源在轨运行期间稳定、可靠、长寿命工作。

考虑非宇航级元器件具有高性能和低成本的巨大潜力，获取非宇航级元器件的抗辐射性能数据，通过辐射分析及加固使其满足在轨需求，对于我国未来空间任务元器件应用具有多重现实意义。

（References）

[1]姜秀杰, 孙辉先, 王志华, 等.航天电子系统中电子元器件选用的途径分析[J].电子器件, 2005, 30(9): 25-28 JIANG X J, SUN H X, WANG Z H, et al.Technical overview of the electronic components selection for spacecraft[J].Chinese Journal of Electron Devices, 2005, 30(9): 25-28

[2]HAEBEL W G.A new approach to provide high reliable data systems without using space-qualified electronic components[C]//54thInternational Astronautical Congress IAC-03-T.2.07.Bremen, Germany, 2003

[3]MAHER M C.Can COTS products be used in radiation environments[J].COTS Journal, 2003, 5(12)

[4]王传珊, 王朝壮, 罗文芸, 等.太阳同步轨道电子与质子对卫星的电离和非电离能损[J].清华大学学报（自然科学版）, 2007, 41(增刊1): 1014-1017 WANG C S, WANG C Z, LUO W Y, et al.Ionizing and non-ionizing energy loss of electron and proton for satellite in sun synchronous orbit[J].Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2007, 47(sup 1): 1014-1017

[5]杨晓超, 王世金, 王月, 等.太阳同步轨道空间粒子辐射剂量探测与研究[J].宇航学报, 2008, 29(1): 357-361 YANG X C, WANG S J, WANG Y, et al.Observation and research of space particle radiation dose on sun-synchronous orbit[J].Journal of Astronautics, 2008, 29(1): 357-361

[6]潘科炎, 王长龙.星载数字电子设备的辐射加固技术(一) [J].航天控制, 1998, 16(3): 67-74 PAN K Y, WANG C L.Radiation hardening techniques for on-board digital electronics[J].Aerospace Control, 1998, 16(3): 67-74

[7]沈自才, 闫德葵.空间辐射环境工程的现状及发展趋势[J].航天器环境工程, 2014, 31(3): 229-239 SHEN Z C, YAN D K.Present status and prospects of space radiation environmental engineering[J].Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(3): 229-239

[8]冯彦君, 华更新, 刘淑芬.航天电子抗辐射研究综述[J].宇航学报, 2007, 28(5): 1071-1080 FENG Y J, HUA G X, LIU S F.Radiation hardness for space electronics[J].Journal of Astronautics, 2007, 28(5): 1071-1080

[9]周旸.星载电子设备抗辐照分析及器件选用[J].现代雷达, 2008, 30(9): 25-28 ZHOU Y.Radiation-proof analysis and components selection of satellite-borne electronic equipment[J].Modern Radar, 2008, 30(9): 25-28

[10]蔡震波, 林国成, 朱文明.卫星辐射剂量三维分析的进一步工程应用[C]//中国宇航学会飞行器总体专业委员会 2004年学术研讨会.北京: 中国空间技术研究院, 2004: 8-13

[11]朱小锋, 周开明, 徐曦.剂量率对MOS器件总剂量辐射性能的影响[J].核电子学与探测技术, 2005, 25(3): 322-325 ZHU X F, ZHOU K M, XU X.Total dose effects in MOS devices under different dose rates[J].Nuclear Electronics & Detection Technology, 2005, 25(3): 322-325

[12]高博, 刘刚, 王立新, 等.功率VDMOS器件低剂量率辐射损伤效应研究[J].微电子学, 2013, 43(1): 115-119 GAO B, LIU G, WANG L X, et al.Investigation into low dose rate radiation damage effects of radiation hardened power VDMOS devices[J].Microelectronics, 2013, 43(1): 115-119

[13]中国人民解放军总装备部.半导体分立器件试验方法: GJB 128A—1997[S].北京: 总装备部军标出版发行部, 1997: 14-18

[14]国防科学技术工业委员会.宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法: QJ 10004—2008[S].北京: 中国航天标准化研究所, 2008: 8-10

[15]韦源, 谢红刚, 贡顶, 等.金属氧化物半导体场效应管长期辐射效应的数值模拟[J].强激光与粒子束, 2013, 25(4): 1031-1034 WEI Y, XIE H G, GONG D, et al.Numerical simulation of long-term radiation effects for MOSFETs[J].High Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(4): 1031-1034

（编辑：张艳艳）

Anti-radiation design and experimental verification of MOSFETs used in a power supply on the space payload

REN Fei, JI Zhipo, ZHANG Guoshuai, WAN Cheng’an
(Beijing Spacecrafts, Beijing 100190, China)

This paper analyses the space total dose effects of three MOSFETs (IRF5N3415, IRF7NA2907, IRF7N1405) in a secondary power supply on the space payload.The process of the anti-radiation design is discussed.In order to make the radiation design margin (RDM) larger than three, the radiation hardening technologies such as the tantalum sheet hardening and reasonable structure re-arrangement are used.Through total dose radiation test, the electrical performance data of the three MOSFETs are obtained by comparing the variations of the main parameters before and after the test, which prove the effectiveness of the design.The use of non space-level components will become a new tendency for low cost space applications in the future.

secondary power supply; MOSFET; radiation hardening; total dose radiation; test study

TN368.1

：B

：1673-1379(2016)05-0545-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.016

任 飞（1986—），男，硕士学位，主要从事大功率宇航DC/DC变换器设计与应用。E-mail: dqrenfei@126.com。

2016-04-19；

：2016-09-06