Stromversorgung von New-Space-Anwendungen

Elektronische Systeme im Weltraum sind zahlreichen Gefahren ausgesetzt, darunter dem ständigen Bombardement durch Wellen- und Teilchenstrahlung. Halbleiterbauelemente sind besonders anfällig für Teilchenstrahlung, die zu Störungen und schwerwiegenden Ausfällen führen kann.

Nicht alle Weltraumanwendungen erfordern den gleichen Grad an Strahlenschutz. Bei Anwendungen im weiten Weltraum (Deep Space) kommen teure strahlungsgehärtete Komponenten zum Einsatz. Für New-Space-Anwendungen, die LEO- (Low Earth Orbit) und MEO-Satelliten (Medium Earth Orbit) abdecken, sind dagegen nur strahlungstolerante Komponenten und Schaltkreise erforderlich.

Auswirkungen von Wellen- und Teilchenstrahlung

Obwohl Wellen- und Teilchenstrahlung miteinander verwandt sind, haben sie unterschiedliche Auswirkungen auf das System (Bild 1). Einzelne Teilchen haben eine geringe Masse, können jedoch auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Sie können auch Ladungen tragen – im Allgemeinen positive, wenn negativ geladene Elektronen aus den Atomhüllen herausgelöst werden.

Teilchenstrahlung kann physikalische Schäden verursachen, insbesondere an Halbleiterkristallgittern, die dauerhaft und/oder kumulativ sind. Systeme werden auch vorübergehend gestört, wenn Elektronen in Verarmungsbereiche gezogen werden und einen nichtleitenden Bereich leitend machen. Auch wenn positive Ionen die Dotierungsatome in einer Kristallmatrix ersetzen, kann dies zu dauerhaften Schäden führen: Wird ein Halbleiter leitend, obwohl er nicht leitend sein sollte, führt dies zu dauerhaften Schäden durch Fehlfunktionen der Schaltkreise.

Ein Großteil der Strahlungsschäden ist kumulativ, wodurch die Dauer der Mission zu einem wichtigen Faktor wird.

Verfahren für strahlungstolerante Leistungselektronik

In der aktuellen schnelllebigen Weltraumbranche sind die Kosten für den Start und die Ersatzbeschaffung ausgefallener Satelliten beträchtlich, daher ist ein sorgfältiges Design unerlässlich. Im Folgende sind einige wichtige Empfehlungen zur Vorgehensweise aufgelistet:

• Wählen Sie Komponenten basierend auf ihrer Strahlungstoleranz aus. Einige Halbleiterprozessknoten weisen eine verbesserte Strahlungsleistung auf. So ist bei bipolaren Halbleitern das Kriterium der Verschiebungsschäden für die Auswahl wichtig. Wide-Bandgap-GaN-FETs haben eine inhärente Strahlungstoleranz. Einige Epoxidharze und Aluminium-Elektrolytkondensatoren gasen im Vakuum aus und sind daher nicht für den Einsatz im Weltraum geeignet.
• Produktchargen sollten stichprobenartig auf ihre Strahlungsleistung geprüft werden, um Schwankungen von Charge zu Charge zu berücksichtigen.
• Mehrere Instanzen von Systemen können physikalische Redundanz als Sicherheitsmaßnahme gewährleisten. Fällt ein System aus, kann ein anderes einspringen. In einigen Systemen arbeiten drei Systeme parallel. Wenn eines der Systeme nicht mit den anderen beiden übereinstimmt, kann dessen Ausgang ignoriert werden.
• Leistungs-MOSFETs können so herabgestuft werden, dass das Gerät am Ende seiner Lebensdauer noch funktionsfähig ist, auch nach der unvermeidlichen Verschlechterung des U_GS-Schwellenwerts.
• Eine Abschirmung kann empfindliche Elektronik schützen, aber wenn die Teilchenenergie hoch genug ist, verschärfen kaskadierende Abschirmpartikel das Problem mitunter noch.
• Zusätzliche Schaltkreise können die Leistungsfähigkeit überwachen, inkonsistente Systeme abzuschalten und neu zu starten, wenn ein Fehler behoben werden kann.

Unabhängig von Designstrategien und Stromversorgungstopologien müssen Entwickler New-Space-Elektroniksysteme gründlich analysieren, simulieren und auf ihre Umgebungs- und Strahlungsleistung testen.

Neue Topologien und Schaltmodi

Im Gegensatz zu hart schaltenden Leistungswandlern können Soft-Switching-Topologien ein System unempfindlicher gegenüber parasitären Effekten wie Ringing machen, was die Spannungsbelastung der Schaltkomponenten erhöht.

Zu den Faktoren für die Bewertung einer Topologie gehören Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Einschwingverhalten, Ausgangswelligkeit, elektromagnetische Störungen (EMI) und Kosten.

Schaltverluste entstehen beim Ein- und Ausschalten der MOSFETs eines Versorgungsstrangs aufgrund der erforderlichen Gate-Ladung und der Drain-Source-Kapazität. Die Schaltverluste nehmen mit der Schaltfrequenz zu und begrenzen sie somit. Die Leitungsverluste der Body-Diode beeinträchtigen die Effizienz der Leistungswandlung in hart schaltenden Wandlern zusätzlich. Obwohl GaN-FETs keine physische Body-Diode haben, verfügen sie über einen Sperrstrommodus, der bei mehreren Volt geklemmt wird. Dadurch ist die GaN-Totzeit-Leitungsperiode sehr schwierig zu handhaben.

In einem synchronen, hart geschalteten Buck-/Abwärtswandler schaltet sich der High-Side-FET ein, wenn die maximale Spannung an ihm anliegt, und leitet seinen maximalen Strom während des Einschaltabschnitts des Betriebszyklus (Bild 2, links). Je größer die Eingangsspannung ist, desto höher ist die Verlustleistung, sodass Wandler in Anwendungen mit hohem Spannungsverhältnis (z. B. 28 V auf 3,3 V) einen schlechteren Wirkungsgrad aufweisen als Wandler mit kleineren Wandlungsverhältnissen (z. B. 5 V auf 2,5 V).

Vorteile des Soft-Switching

Soft-Switching reduziert die Schaltverluste erheblich. Deutlich wird das beispielsweise beim spannungsfreien Schalten (ZVS; Zero-Voltage-Switching), das in zahlreichen Leistungswandlertopologien den Wirkungsgrad verbessert. Bei ZVS wird der High-Side-FET eingeschaltet, wenn die Spannung am Schalter bei oder nahe Null liegt (Bild 2, rechts).

Der Betrieb eines Klemmschalters mit ZVS ermöglicht es dem Wandler eine geringe Menge Energie in der Ausgangsinduktivität zu speichern, wenn sowohl der High-Side- als auch der Low-Side-Schalter ausgeschaltet sind. Diese ansonsten verschwendete Energie nutzt der Wandler, um die Ausgangskapazität des High-Side-FETs zu entladen und den parasitären Ausgang des synchronen FETs aufzuladen.

Dadurch, dass die Ausgangskapazität des FETs aus dem Einschaltverhalten des Schalters entfernt wird, ist die FET-Auswahl bezüglich C_gd unempfindlicher. Dadurch können sich Entwickler auf den Kanalwiderstand im eingeschalteten Zustand konzentrieren, anstatt auf herkömmliche Leistungskennzahlen wie das Produkt aus Kanalwiderstand und Gate-Kapazität.

Diese Methode des Ansteuerns des High-Side-FETs während des Einschaltens vermeidet die Anregung der parasitären Induktivität und Kapazität des Schalters, die zur Resonanz neigen und in hart geschalteten Topologien große Spannungsspitzen und Ringing verursachen (Bild 3).

Durch die Beseitigung der Spannungsspitzen und geringeres Ringing (Bild 4) sorgt ZVS für geringere Leistungsverluste und weniger EMI.

Die Beseitigung der Spannungsspitzen aus dem Schaltverhalten ermöglicht es Entwicklern auch, FETs mit niedrigeren Spannungen und geringerem R_DS(ON) zu wählen, um die Effizienz zu verbessern.

Stromversorgung hochleistungsfähiger Kommunikations-ASICs

Vicor verwendet Soft-Switching-Techniken in seinen strahlungstoleranten Leistungsmodulen für die Stromversorgung hochleistungsfähiger Kommunikations-ASICs (Bild 5), die für MEO- und LEO-Satelliten bestimmt sind. Die Systemmodule basieren auf einer ZVS-Buck-Boost-Topologie (PRM-Reihe) sowie auf einer ZVS- und ZCS-Sinusamplitudenwandler-/SAC-Topologie für die BCM- als auch VTM-Reihe.

Durch die geringe Größe des VTM ist eine Platzierung so nah wie möglich am ASIC möglich. Die Optimierung des Stromverteilungsnetzes (PDN) ist entscheidend, um den hohen Strömen gerecht zu werden, die moderne ASICs, FPGAs, CPUs und GPUs erfordern. Vicor-Module kombinieren Soft-Switching-Lösungen, strahlungstolerante aktive Komponenten und automotive-taugliche passive Komponenten.

Um die Unterbrechung der Funktion bei einem Einzelereignis abzumildern, enthalten alle strahlungstoleranten Module vollständig redundante, parallel arbeitende Versorgungsstränge. Wird ein Strang durch ein Einzelereignis gestört, erzwingen seine Schutzschaltungen einen Power-Off-Reset. Während des Reset-Intervalls trägt der redundante Antriebsstrang die volle Last, und nach dem Reset arbeiten beide Antriebsstränge wieder parallel.

Neben vielen anderen Faktoren sind die Wahl der Topologie und des Schaltmodus wichtige Faktoren bei der Entwicklung neuer Leistungswandler für den Weltraumeinsatz. (bs)