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用于高空气球的高压二极管
利用高空气球探索近太空环境已成为科学研究、大气研究和技术演示的关键工具。这些任务……
用于高空气球的高压二极管
工程答案
在高空气球有效载荷中，高压二极管位于电源转换链中：桥式整流器将机载交流发电机或电池的电源转换为高压直流电，为粒子探测器、光电倍增管和电场传感器等科学仪器供电。在30公里高空，气压仅为几毫巴，因此二极管封装及其电路板必须具有绝缘性能，否则在海平面条件下，引脚上可能会出现电弧放电；温度会降至-60°C以下，并且宇宙辐射剂量会在飞行过程中累积。对于有效载荷工程师而言，选择二极管的关键因素包括高空间隙和爬电距离、能够承受低温循环的封装以及符合飞行辐射剂量要求的二极管。
- 低压环境下应降低电压——电弧会在远低于海平面额定电压的水平下开始产生。
- 通过完整的冷循环和飞行剖面真空环境对零件进行验证。
- 要符合任务所需的辐射剂量标准，而不是实验室保存期限的标准。
抽象
本文介绍了高空气球有效载荷中使用的高压二极管：构成科学仪器高压电源轨的整流二极管和倍压二极管，以及它们周围的保护装置。文章推导了决定降额的主要高度压力和间隙方程，解释了近真空、低温和辐射环境为何会改变所有选择规则，阐述了有效载荷工程师面临的难题，最后以一个案例作结：飞行中发生的电弧故障被追溯到海平面额定值，并通过重新调整二极管堆的额定值以适应高空环境而得到解决。
1. 应用背景：飞行环境重写了规则
高空气球将科学载荷送至平流层，高度约为30至40公里，那里的气压约为海平面的1%，温度降至零下60摄氏度甚至更低。载荷上的仪器——粒子探测器、光电倍增管、电场传感器和射频传感器——需要高压电源轨。在海平面，这并非难事，但在高空却会成为一个介电工程难题：空气稀薄，无法保持绝缘体，低温会加剧封装材料的应力，而且辐射剂量会在飞行过程中不断累积。用于整流和倍增这些电源轨的高压二极管的选择，必须遵循只有飞行剖面才能确定的规则。
第一条规则是帕邢定律：间隙的击穿电压在平流层的低压下会下降，因此在海平面上安全的间隙在高空会变得不安全：
第二条规则是辐射剂量：有效载荷穿越高层大气辐射环境，二极管的泄漏和绝缘性能必须在整个飞行过程中保持不变：
三、技术要求
2.1 稀薄空气的净空和爬电距离。 在高海拔地区，空气不再起到绝缘作用；二极管堆和电路板需要的间隙和爬电距离远远超过海平面数值，否则二极管堆会在其引脚之间产生电弧：
2.2 低温运行。 有效载荷在上升过程中冷却至−60°C，二极管必须在飞行末期的低温环境下工作，并能经受住下降过程中的热循环：
2.3 探测器偏置处的泄漏。 仪器导轨为信号微弱的检测器供电；飞行过程中整流器链的泄漏必须保持在测量限值以下：
2.4 重量和功率预算。 每克有效载荷都会消耗气球的升力，每瓦特的电池电量都会消耗电池电量；二极管堆的选择旨在提高效率，并实现轻巧紧凑的封装，同时仍能保持所需的高度间隙：
图 1 — 桥接器利用车载电源建立高压轨；在高空，同样的电路需要三倍的净空。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛点 1 — 上坡时铁轨弯曲了。 “每次飞行，探测器都会在25公里高度脱落。”二极管阵列按照海平面高度布置，但稀薄的空气导致其断裂。重新布置的阵列考虑到了高度爬升，从而能够将轨道固定在浮筒上。
疼痛 2 — 渗漏随着剂量增加而加剧。 “飞行过程中，探测器的底部升高了。” 整流二极管 这些部件不符合飞行辐射剂量要求，泄漏量不断增加。耐辐射部件则起到了关键作用，数据得以保持清洁。
疼痛 3 — 寒冷导致包裹损坏。 “二极管在低于-50°C的温度下就出现了裂纹。”封装材料并未达到飞行过程中低温循环的额定值。而符合-60°C循环标准的封装则经受住了上升和下降过程。
4. 有效载荷的组件比较
| 属性 | 海平面部分 | 航空级零件（合格） |
|---|---|---|
| 高海拔电压 | 空气中的弧线 | 降额后爬电时间为 3 倍 |
| 冷操作 | 低于−50°C的裂缝 | 符合 -60 °C 循环要求 |
| 辐射剂量 | 泄漏加剧 | 飞行过程中保持 R_ins |
| 探测器地板处有泄漏 | 信号损坏 | ≤ nA，清洁地面 |
| 体重和减肥 | 超出预算 | 低跌落，轻包装 |
如何使用此比较方法。 气球有效载荷飞行一次，其返回的数据就是它的全部价值所在。高压部件的选择取决于飞行剖面——高度限制、低温环境和剂量——而不是海平面数据表。
5. 选择和HVC解决方案
| 职务 | HVC系列 | 电压 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 整流器堆栈 | HVD | 1–150 伏 | 快速恢复，低泄漏 |
| 过滤器/储液罐 | 陶瓷盘 | 1–50 伏 | 1级，低密度脂蛋白，密封 |
| 倍数位置 | 门把手 | 20–150 伏 | 高能量、低ESR |
| 分隔线/出血线 | HVR | 5–100 伏 | ±1%，稳定的TCR |
① 额定飞行高度。 由于空气稀薄，净空和爬升距离都会降低，因此轨道在上升和漂浮过程中都能保持稳定。
② 专为寒冷和剂量而设计。 符合 -60°C 循环和飞行辐射剂量标准的包装，其绝缘性能可保持到任务结束。
③ 经济实惠。 低前倾角部件和紧凑的密封封装使重量和电池消耗保持在飞行预算范围内。
6. 工程案例研究（参考资料）
宇宙射线有效载荷在连续三次飞行中，于上升过程中探测器轨道脱落，每次脱落都导致发射窗口被取消。故障原因可追溯到二极管阵列，该阵列最初按照海平面间隙布置；在25公里高度时，稀薄的空气导致阵列内部发生碰撞。之后，阵列重新布置，并考虑了高度爬升的影响，同时重新设计了二极管，以适应低温和高剂量环境。以下是改进后的对比：
| 测量参数 | 之前（海平面） | （飞行级）之后 |
|---|---|---|
| 浮标高度的轨道弧 | 在25公里处迷路 | 通过浮力保持 |
| 飞行末期发生泄漏 | 3倍起始 | 1.1倍起始 |
| 二极管封装温度为−60 °C | 皴 | 存活周期 |
| 探测器数据已恢复 | <50％ | 100% |
在高空气球中，飞行剖面就是关键参数。构成仪器导轨的高压二极管必须能够适应稀薄空气、低温和辐射剂量，而不是海平面实验室的工况。降低额定功率，验证封装性能，有效载荷就能返回其预定的数据。
7. 设计考虑
- 因海拔高度而降低额定功率： 飞行压力需要乘以间隙和爬升量；帕申定律是设计规则，而不是目录。
- 确定冷循环条件： 该包装在 -60 °C 的升温和降温循环中均未破裂。
- 确定剂量： 对任务辐射剂量下的泄漏和绝缘情况进行了验证。
验证清单
- 记录飞行过程中的最大电压、电流、温度和压力。
- 在飞行高度压力下，验证间隙、爬电距离和机械安装情况。
- 将样品进行冷真空循环测试，并重新测量泄漏量和绝缘性能。
- 确认在模拟飞行剂量下探测器底部保持清洁。
8。 参考
- [1] IEC 60747-2， 半导体器件——分立器件——第二部分：整流二极管IEC，2016。
- [2] 美国国家航空航天局， 高空气球飞行手册：环境和有效载荷要求美国国家航空航天局气球项目办公室，2018 年。
- [3] MA 利伯曼，AJ 利希滕贝格， 等离子体放电和材料加工原理，第2版，Wiley出版社，2005年。
- [4] 陈景亮、姚学玲、孙伟,《高电压试验技术》(高电压试验技术), 西安交通大学出版社 (西安交通大学出版社), 2013. (中文学术专着)
- [5] Vishay Intertechnology, 高压整流二极管：数据手册汇编Vishay，2020。（品牌数据表汇编）
- [6] 村田制作所， 高压陶瓷电容器应用手册村田，2019。（品牌数据表汇编）