Effetti delle radiazioni ondulatorie e corpuscolari
Come mostrato in Figura 1, le radiazioni ondulatorie e l'esposizione alle particelle sono correlate, ma i loro effetti sul sistema sono diversi. Le particelle hanno una massa ridotta ma possono essere accelerate a velocità molto elevate. Possono anche trasportare cariche, solitamente positive quando gli elettroni caricati negativamente vengono espulsi dalle orbite atomiche.
Le radiazioni corpuscolari possono causare danni fisici, in particolare alle strutture cristalline dei semiconduttori, e questi danni sono permanenti e/o cumulativi. I sistemi subiscono anche disturbi temporanei quando gli elettroni raggiungono le regioni di svuotamento e creano conduzione in una regione non conduttiva. Inoltre, se gli ioni positivi sostituiscono gli atomi drogati in una matrice cristallina, il risultato può essere un danno permanente: ciò può causare la conduzione di un semiconduttore quando non dovrebbe, con conseguente danno permanente dovuto a malfunzionamento del circuito.
Molti tipi di danni da radiazioni sono cumulativi, quindi la durata della missione è un fattore inevitabile.
Figura 1: Spettro di radiazione.
Consigli pratici per la costruzione di elettronica di potenza robusta e resistente alle radiazioni.
Nell'attuale mercato spaziale dinamico, i costi di lancio e sostituzione dei satelliti danneggiati sono considerevoli, il che rende essenziale una progettazione accurata.
• È necessario selezionare componenti resistenti alle radiazioni. Alcuni nodi di processo dei semiconduttori hanno migliorato le loro prestazioni in termini di radiazioni. È possibile selezionare semiconduttori bipolari con valori nominali che tengono conto del danno da spostamento. I FET a banda larga (GaN) hanno una tolleranza intrinseca alle radiazioni. Alcune resine epossidiche e condensatori elettrolitici in alluminio rilasciano gas nel vuoto, rendendoli inadatti agli ambienti spaziali.
• È opportuno ispezionare campioni di lotti di prodotto per tenere conto delle variazioni nelle prestazioni in termini di radiazioni tra lotti diversi.
• È possibile implementare sistemi multilivello. La ridondanza fisica è una garanzia. Se uno si guasta, un altro può subentrare. Alcuni sistemi hanno tre sistemi che operano in parallelo. Se uno differisce dagli altri due, la sua uscita può essere ignorata.
I MOSFET di potenza possono essere declassati in modo che, dopo l'inevitabile degrado oltre la soglia VGS, il dispositivo rimanga funzionale al termine della sua vita operativa.
La schermatura può proteggere i componenti elettronici sensibili, ma se l'energia delle particelle è sufficientemente elevata, gli sciami di particelle possono aggravare il problema.
È possibile aggiungere circuiti per monitorare le prestazioni e disconnettere e riavviare i sistemi instabili quando il guasto è recuperabile.
Indipendentemente dalle strategie di progettazione e dalle topologie di alimentazione, i sistemi elettronici per applicazioni spaziali devono essere rigorosamente analizzati, simulati e testati per determinarne le prestazioni in condizioni ambientali e di radiazione.
Topologie e modalità di commutazione innovative offrono un vantaggio competitivo.
Le topologie a commutazione dolce (a differenza dei convertitori di potenza a commutazione dura) possono rendere un sistema meno suscettibile a effetti parassiti come le oscillazioni, che aumentano lo stress di tensione sui componenti di commutazione.
I fattori utilizzati per valutare una topologia includono densità di potenza, efficienza, risposta transitoria, ondulazione in uscita, emissioni di interferenze elettromagnetiche (EMI) e costo.
Le perdite di commutazione si verificano durante l'accensione e lo spegnimento dei MOSFET in uno stadio di potenza, a seconda dei requisiti di carico del gate e della capacità drain-source. Le perdite di commutazione aumentano, e quindi limitano, la frequenza di commutazione. Le perdite di conduzione nella struttura del diodo riducono ulteriormente l'efficienza di conversione di potenza nei convertitori a commutazione dura. Sebbene i FET GaN non incorporino un diodo strutturale, presentano un blocco della conduzione inversa a diversi volt. Ciò rende il periodo di conduzione morto del GaN molto difficile da gestire.
In una topologia di convertitore buck sincrono a commutazione rigida, il FET del lato ad alto potenziale si attiva quando riceve la sua tensione massima e conduce la sua corrente massima durante la parte attiva del ciclo di lavoro (vedere Figura 2, a sinistra). Maggiore è la tensione di ingresso, maggiori sono le perdite di potenza, quindi i convertitori in applicazioni con una differenza di tensione maggiore (ad esempio, da 28 V a 3,3 V) offrono un'efficienza inferiore rispetto ai convertitori con una differenza minore (ad esempio, da 5 V a 2,5 V).
Figura 2: Effetti parassiti sulla topologia. Convertitore buck convenzionale a commutazione rigida (a sinistra) e convertitore buck a commutazione a tensione zero o ZVS (a destra).
Vantaggi della commutazione dolce:
La commutazione dolce riduce le perdite di commutazione. Un esempio di commutazione dolce è la commutazione a tensione zero (ZVS), che migliora l'efficienza di conversione con varie topologie. La ZVS commuta il FET sul lato ad alto potenziale in conduzione quando la tensione ai capi dell'interruttore si avvicina o è uguale a zero (vedere Figura 2, a destra).
Il funzionamento di un interruttore di blocco tramite ZVS consente al convertitore di immagazzinare una piccola quantità di energia nell'induttore di uscita quando gli interruttori sui lati ad alto e basso potenziale sono spenti. Il convertitore utilizza questa energia, che altrimenti andrebbe sprecata, per scaricare la capacità di uscita del FET sul lato ad alto potenziale e caricare i segnali di uscita parassiti del FET sincrono.
Eliminando la capacità di uscita del FET sulla connessione dell'interruttore, si riduce la sensibilità alla selezione del FET rispetto a Cgd, consentendo ai progettisti di concentrarsi sulla resistenza di canale durante la conduzione piuttosto che sui tradizionali fattori di merito come il prodotto della resistenza di canale e della capacità di gate.
Questo metodo di controllo del FET sul lato ad alto potenziale durante la transizione di accensione evita l'eccitazione di induttanza e capacità parassite, che tendono a risuonare, causando picchi di tensione e oscillazioni elevate nelle topologie a commutazione rigida (vedere Figura 3a). Eliminando i picchi e riducendo le oscillazioni (vedere Figura 3b), la commutazione a tensione zero (ZVS) sopprime le perdite di potenza e una fonte di emissioni EMI.
L'eliminazione dei picchi di tensione durante la commutazione consente inoltre ai progettisti di selezionare FET a tensione inferiore con un RDSON inferiore per migliorare l'efficienza.
Figura 3: Forme d'onda della commutazione rigida e della commutazione morbida.
Vicor impiega tecniche di soft-switching nelle sue soluzioni di alimentazione modulari resistenti alle radiazioni per alimentare ASIC di comunicazione ad alte prestazioni (vedere Figura 4), specificamente progettate per applicazioni satellitari MEO e LEO. I moduli di sistema utilizzano una topologia buck-boost ZVS nel PRM™ e convertitori di ampiezza sinusoidale ZVS e ZCS (SAC™) per il BCM® e il VTM™.
Le dimensioni ridotte del VTM consentono di posizionarlo il più vicino possibile all'ASIC. L'ottimizzazione della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) è fondamentale per gestire le elevate correnti consumate dai moderni ASIC, FPGA, CPU e GPU. I moduli Vicor combinano soluzioni di soft-switching, componenti attivi resistenti alle radiazioni e componenti passivi di livello automotive.
Per ridurre al minimo le interruzioni operative, tutti i moduli resistenti alle radiazioni includono stadi di alimentazione paralleli completamente ridondanti. Se uno degli stadi di alimentazione viene danneggiato, i relativi circuiti di protezione attivano un riavvio con l'alimentazione disconnessa. Durante l'intervallo di riavvio, lo stadio di potenza ridondante gestisce l'intero carico e, al termine del riavvio, entrambi gli stadi di potenza riprendono a funzionare in parallelo.
Figura 4: Moduli di topologia risonante ad alta potenza (ZVS e ZCS).
Tra i molti fattori, la topologia e la modalità di commutazione selezionate sono importanti nella progettazione di convertitori di potenza per applicazioni spaziali.
Informazioni sugli autori
Salah Ben Doua, ingegnere capo delle applicazioni, vanta 30 anni di esperienza nella progettazione di sistemi di alimentazione e da oltre 20 anni assiste i clienti di Vicor, fornendo loro competenza e consulenza per lo sviluppo di sistemi di alimentazione CC/CC e CA/CC in numerosi settori, tra cui aerospaziale e difesa, industria, ferroviario, illuminazione e telecomunicazioni. Salah ha conseguito un dottorato di ricerca in conversione di potenza presso l'Istituto Politecnico Nazionale di Tolosa.
Ken Coffman, ingegnere senior per le applicazioni sul campo, è assegnato alla New Space Initiative di Vicor. Risiede a Phoenix, in Arizona, Stati Uniti. Puoi contattarlo QUI.
