Elektronski sistemi v vesolju so izpostavljeni številnim nevarnostim. Med drugim so sistemi izpostavljeni višjim stopnjam sevanja valov in delcev brez zaščitnega zemeljskega magnetnega polja, ki odbija delce in naše atmosferske odeje, ki absorbira sončne in kozmične žarke. Polprevodniške naprave so še posebej občutljive na sevanje delcev, kar lahko povzroči napake ali okvare komponent ali sistema.
Toda tudi pasivne snovi so lahko problematične zaradi težav, kot je izločanje plinov. Tudi toplotno upravljanje je zahtevnejše, ker konvekcijsko hlajenje ne deluje v prostoru, zato so oblikovalci omejeni na odvajanje toplote s prevajanjem na sevalno površino.
Ta članek raziskuje ta vprašanja, saj se nanašajo posebej na načrtovanje vesoljskih energetskih sistemov. Poudarek je tukaj še bolj zožen na tiste "nove vesoljske" aplikacije, kjer so potrebne komponente in vezja, "tolerantna na sevanje", namesto na bolj robustne naprave in vezja, "odporna na sevanje". Zahteva za tolerantnost na sevanje postavlja mejo nižje v smislu sposobnosti komponente ali vezja, da prenese vesoljsko sevanje, kar se odraža na primer v nižji oceni komponente za skupno dozo ioniziranja (TID). Vendar se pričakuje, da bodo v zameno za to zmanjšano stopnjo odpornosti na sevanje nižji tudi stroški komponent.
Medtem ko je izbira polprevodniške naprave v središču razvoja na sevanje odpornih napajalnih sistemov, je to le ena od mnogih strategij načrtovanja, ki jih je mogoče uporabiti na ravni komponent in vezij. Ta članek obravnava osnovne strategije in številne prednosti mehkega preklapljanja v energetskih sistemih, odpornih na sevanje.
Učinki sevanja delcev in druge nevarnosti
Za naše namene sevanje valov vključuje žarke in elektromagnetne valove. Intuicijo o valovnem sevanju vodi tisto, kar lahko zaznavajo naši čuti, tj. vidna svetloba, ki jo občutimo z očmi, infrardeča svetloba, ki jo občutimo kot toploto, in ultravijolična svetloba, ki jo občutimo, ko opeče našo kožo.
Na splošno ima valovno sevanje podobne lastnosti kot optika, vključno z odbojem, absorpcijo, lomom in difuzijo. Vendar pa valovne dolžine vesoljskega (valovnega) sevanja segajo nad in pod spektrom vidne svetlobe. Sevanje pod vidljivostjo vključuje mikrovalove in radijske frekvence (RF). Sevanje nad vidljivostjo vključuje ultravijolične, X in gama žarke. Na sliki 1 si oglejte valovne dolžine in povezane energije, ki so ključni parametri za merjenje izpostavljenosti sevanju.
Sevanje valov in sevanje delcev v resnici nista dve ločeni stvari, vendar so njuni učinki na elektronske sisteme različni. Posamezni delci imajo zelo majhno maso, vendar jih je mogoče pospešiti do zelo velikih hitrosti. Prav tako lahko prenašajo naboje - običajno pozitivne, ko so elektroni z negativnim nabojem odvzeti iz atomskih orbit.
Pri sevanju delcev opazimo fizične poškodbe, zlasti na kristalnih mrežah polprevodnikov – poškodbe, ki so trajne in/ali kumulativne. Vidimo lahko začasne motnje, kjer se elektroni vlečejo v osiromašena območja in povzročijo prevodnost neprevodnega območja. Trajne poškodbe lahko opazimo tudi, ko pozitivni ioni nadomestijo dopirajoče atome v kristalni matriki – včasih lahko povzroči trajno škodo zaradi okvare vezja, če polprevodnik prevede, kadar ali kjer ne bi smel.
V vesolju je veliko nevarnosti. Velik del škode zaradi sevanja je kumulativen, zato je dolžina misije pomemben dejavnik. Intenzivnost sevanja se poveča, ko elektronika zapusti zemeljski sistem, zato sta dejavnika tudi orbita ali izpostavljenost globokemu vesolju.
Dodaten dejavnik v vakuumu v vesolju je, da uporabna konvekcija, ki jo uporabljamo za zemeljsko hlajenje, ne deluje. Kondukcija deluje za širjenje toplotne energije, vendar je treba sčasoma odvečno toploto oddajati v hladen prostor. Zapleten dejavnik je, da se bodo površine, izpostavljene soncu, zelo segrele, približno 250˚F (120˚C), medtem ko bodo zasenčene površine zelo hladne, okoli –238˚F (–150˚C). Toplotna zasnova satelitskega sistema je zapletena.
Strategije za gradnjo robustne močnostne elektronike, odporne na radiatorje
Celo v današnjem hitrem novem vesoljskem poslovnem okolju so stroški za izstrelitev in zamenjavo mrtvih satelitov precejšnji, zato je skrbno načrtovanje pomembno. Resnično želimo najvišjo zanesljivost, ki si jo lahko privoščimo.
Kako se to naredi?
Ni enega odgovora – rešitve za ustvarjanje robustnih vesoljskih elektronskih sistemov so večplastne.
- Komponente so izbrane glede na toleranco na sevanje. Nekatera najsodobnejša polprevodniška procesna vozlišča imajo izboljšano učinkovitost sevanja. Bipolarne polprevodnike je mogoče izbrati glede na njihove ocene poškodb zaradi premika. Izberete lahko širokopasovne FET (GaN) z inherentno toleranco sevanja. Nekateri deli, kot so določeni epoksidi in aluminijevi elektrolitski kondenzatorji, ki v vakuumu sproščajo pline, so preprosto neprimerni za uporabo v vesoljskih okoljih.
- Da bi upoštevali variacije med serijami, je mogoče veliko vzorcev testirati glede učinkovitosti sevanja. Če so uspešni, je mogoče naprave iz te proizvodne serije brez skrbi uporabljati.
- Fizična redundanca. Izvede se lahko več primerkov sistemov. Če eden odpove, je sistem mogoče oblikovati tako, da ga lahko prevzame drugi. V nekaterih sistemih vzporedno delujejo trije sistemi. Če se eden ne strinja z drugima dvema, se njegov rezultat lahko prezre. Včasih obstajajo štirje redundantni sistemi in en rezervni se zamenja, če sistem odpove.
- Moč MOSFET-jev je mogoče zmanjšati, tako da se upošteva neizogibna degradacija praga VGS in naprava ob koncu življenjske dobe še vedno deluje.
- Zaščito lahko uporabite za zaščito občutljive elektronike, a če je energija delcev dovolj visoka, lahko kaskadni delci iz zaščite še povečajo težavo.
- Vezje je mogoče dodati za spremljanje delovanja ter odklop in ponovni zagon sistemov, ki ne delujejo pravilno, če je napako mogoče odpraviti.
Ne glede na načrtovalske strategije in topologije napajanja je treba vesoljske elektronske sisteme analizirati, simulirati in testirati glede okoljske in sevalne učinkovitosti.
Zahteve glede konstrukcije, odporne na sevanje, omejujejo izbiro komponent. Dodatek monitorjev delovanja, varnostnih zaščitnih mehanizmov, odklopnikov napajanja in ponastavitvenih vezij ne sme preseči zahtev glede učinkovitosti, velikosti in teže končne rešitve.
Vpliv izbire topologije in preklopnega načina
Uravnoteženje načrtovalskih kompromisov z izbiro ustrezne arhitekture elektroenergetskega sistema je pomembno. Topologija in načini preklapljanja, kot je mehko preklapljanje (v primerjavi s pretvorniki moči s trdim preklopom), lahko naredijo sistem manj občutljiv na parazitske učinke, kot je zvonjenje – zvonjenje, ki poveča napetostno obremenitev preklopnih komponent.
Kot en primer pomena izbire topologije v novi zasnovi prostora preklopni način vpliva na vse ključne specifikacije izvedb pretvorbe moči, vključno z gostoto moči, učinkovitostjo, prehodnim odzivom, izhodnim valovanjem, emisijami elektromagnetnih motenj (EMI) in stroški.
Prevladujoče izraze preklopnih izgub je mogoče pripisati obnašanju pri vklopu MOSFET-a na visoki strani pogonskega sklopa prek zahtev glede polnjenja vrat in kapacitivnosti odtok-izvor. Preklopne izgube se povečajo in s tem omejijo preklopno frekvenco. Izgube prevodnosti telesnih diod dodatno zmanjšajo učinkovitost pretvorbe moči v pretvornikih s trdim stikalom. Čeprav GaN FET-ji nimajo diode fizičnega telesa, imajo obratni prevodni način, ki je vpet pri več voltih. Zaradi tega je obdobje prevodnosti GaN v mrtvem času zelo zahtevno za upravljanje.
V sinhroni, trdo preklopni buck topologiji se FET na visoki strani vklopi, ko ima na sebi največjo napetost (glejte sliko 2) in prevaja svoj največji tok med vklopnim delom delovnega cikla. Izgube moči v stikalu na visoki strani so torej največje med prehodom iz izklopa v vklop. Večja kot je vhodna napetost, večja je izguba moči, zato pretvorniki v aplikacijah z visokim napetostnim razmerjem (npr. 28 V do 3.3 V) ponavadi zagotavljajo slabšo učinkovitost kot isti pretvorniki v vezjih, ki zahtevajo nižja pretvorbena razmerja (npr. 5 V do 2.5 V). ).
Prednosti mehkega preklapljanja
Alternativa, mehko preklapljanje, bistveno zmanjša te preklopne izgube. Tehnike mehkega preklopa zahtevajo bolj zapletena krmilna vezja, ker mora biti čas preklopa usklajen s preklopljeno valovno obliko.
En primer mehkega preklapljanja je tehnika ZVS (preklop brez napetosti), ki izboljša učinkovitost pretvorbe v različnih topologijah moči. Kot že ime pove, ZVS vklopi FET na visoki strani, ko je napetost na stikalu enaka ali blizu nič (glejte sliko 2). To prekine povezavo med izgubami moči in razmerjem pretvorbe napetosti med intervalom vklopa FET na visoki strani.
Delovanje objemnega stikala s tehniko ZVS omogoča pretvorniku, da shrani majhno količino energije v izhodni induktor, ko sta stikali na visoki in nizki strani izklopljeni. Pretvornik uporabi to sicer izgubljeno energijo za izpraznitev izhodne kapacitivnosti FET-ja na visoki strani in parazitsko polnjenje izhodnega parametra sinhronega FET-a.
Izločitev izhodne kapacitivnosti FET-ja iz obnašanja stikala ob vklopu zmanjša občutljivost izbire FET-ja glede na CGD in posledično omogoča načrtovalcem, da se osredotočijo na upornost kanala v stanju namesto na tradicionalne vrednosti, kot je zmnožek upora kanala in kapacitivnosti vrat .
S to metodo pogona FET na visoki strani med vklopom se izognete vznemirjanju parazitske induktivnosti in kapacitivnosti stikala, ki se nagibata k resonaciji, kar povzroča velike napetostne konice in zvonjenje v topologijah s trdim preklopom (glejte sliko 3). Z odpravo konic in preprečevanjem zvonjenja (glejte sliko 3) ZVS odstrani še en člen izgube moči in odpravi vir emisij EMI.
Odprava napetostnih konic iz preklopnega vedenja tudi omogoča načrtovalcem, da izberejo nižjenapetostne FET-je z nižjo RDSON izboljšanje učinkovitosti.
Mehko preklapljanje je izjemno vsestransko. Na primer, Vicor uporablja tehnike mehkega preklopa v svojih rešitvah napajalnega modula, odpornega na sevanje, za napajanje visokozmogljivih komunikacijskih ASIC (glej sliko 4), namenjenih satelitskim aplikacijam MEO in LEO. Sistemski moduli uporabljajo topologijo ZVS buck-boost za PRM™ ter ZVS in ZCS pretvornike sinusne amplitude (SAC) za BCM® in VTM™.
Majhna velikost VTM omogoča, da ga postavite čim bližje ASIC-u. Optimizacija omrežja za distribucijo električne energije (PDN) je zelo kritična, ko imamo opravka z visokimi tokovi, ki jih porabijo sodobni ASIC-ji, FPGA-ji, CPE-ji in GPE-ji. Moduli Vicor združujejo rešitve mehkega preklopa, aktivne komponente, odporne na radiatorje, in pasivne komponente, primerne za uporabo v avtomobilski industriji.
Za ublažitev SEFI (prekinitev funkcije posameznega dogodka) vsi moduli, odporni na sevanje, vključujejo popolnoma redundantne pogonske sklope, ki delujejo vzporedno. Če se en pogonski sklop zmoti zaradi enega samega dogodka, njegova zaščitna vezja prisilijo ponastavitev izklopa. Med intervalom ponastavitve redundantni pogonski sklop nosi polno obremenitev in po ponastavitvi oba pogonska sklopa spet delujeta vzporedno.
Med številnimi drugimi dejavniki sta izbira topologije in preklopnega načina pomembna dejavnika pri načrtovanju novih pretvornikov vesoljske moči.
Toda tukaj je bistvo: elektronske sisteme, odporne na sevanje, je težko oblikovati.
Avtor članka:
- Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
- vir: https://www.eletimes.com/radiation-tolerant-power-electronic-systems-are-hard-to-design
- 1
- a
- sposobnost
- O meni
- nad
- pospešeno
- Račun
- čez
- aktivna
- dodano
- Poleg tega
- po
- vsi
- omogoča
- alternativa
- med
- znesek
- in
- Še ena
- aplikacije
- primerno
- Arhitektura
- okoli
- članek
- ASIC
- Asics
- povezan
- atmosferski
- bar
- Osnovni
- ker
- spodaj
- Prednosti
- med
- telo
- Bottom
- odmori
- Building
- poslovni
- ki
- opravlja
- Vzrok
- nekatere
- izziv
- Channel
- naboj
- izbiri
- objemka
- Zapri
- združujejo
- Komunikacija
- popolnoma
- kompleksna
- komponenta
- deli
- Ravnanje
- dirigira
- zaupanje
- Posledično
- porabi
- nadzor
- Pretvorba
- usklajeno
- Kozmični žarki
- strošek
- stroški
- Ustvarjanje
- kritično
- Crystal
- Trenutna
- mrtva
- deliti
- namenjen
- globoko
- Stopnja
- poda
- zahtevno
- razporejeni
- Oblikovanje
- zasnovan
- oblikovalci
- oblikovanje
- razvoju
- naprava
- naprave
- drugačen
- distribucija
- vožnjo
- med
- Učinki
- učinkovitosti
- Electronic
- Elektronika
- elektronov
- odpravlja
- odstranjevanje
- emisij
- Emisije
- energija
- inženir
- dovolj
- okolje
- okolja
- okolja
- Tudi
- Event
- sčasoma
- Primer
- presega
- Izmenjava
- zanimivo
- Izhod
- Pričakuje
- izkušnje
- izpostavljena
- Izpostavljenost
- razširiti
- izredno
- oči
- dejavniki
- ne uspe
- hitro tempu
- FET
- Polje
- Slika
- Številke
- končna
- Osredotočite
- moč
- frekvenca
- iz
- polno
- funkcija
- funkcionalno
- nadalje
- Gama žarki
- dobili
- Grafične kartice
- več
- Trdi
- harvard
- univerza Harvard
- Srce
- tukaj
- visoka
- visokozmogljivo
- več
- najvišja
- HOT
- Vendar
- HTTPS
- vpliv
- izvajali
- Pomembnost
- Pomembno
- izboljšalo
- izboljšanju
- in
- vključujejo
- vključuje
- Vključno
- Povečajte
- Poveča
- individualna
- neizogibno
- inherentno
- vhod
- Namesto
- Vprašanja
- IT
- samo en
- Ključne
- velika
- večja
- kosilo
- vodi
- dolžina
- LEO
- ravni
- življenje
- light
- LIMIT
- Limited
- vrstica
- LINK
- malo
- obremenitev
- off
- izgube
- Sklop
- Magnetno polje
- Znamka
- IZDELA
- Izdelava
- upravljanje
- upravljanje
- proizvodnja
- več
- Masa
- max širine
- največja
- merjenje
- Merit
- Metoda
- Mission
- Omiliti
- način
- sodobna
- modul
- Moduli
- monitor
- monitorji
- več
- večplasten
- več
- Ime
- Blizu
- mreža
- Novo
- vozlišča
- ONE
- deluje
- deluje
- optika
- optimizacijo
- Orbit
- Ostalo
- vzporedno
- parametri
- zlasti
- deli
- pasivno
- performance
- Obdobje
- trajna
- fizično
- platon
- Platonova podatkovna inteligenca
- PlatoData
- pozitiven
- mogoče
- moč
- Napajanje
- Napajanje
- preprečevanje
- Načelo
- problem
- Postopek
- Izdelek
- Lastnosti
- zaščito
- zaščita
- Zaščitna
- namene
- radio
- območje
- ocena
- ocen
- razmerje
- Zmanjšana
- zmanjšuje
- odsevalo
- odsev
- okolica
- regije
- zanesljivost
- odstranitev
- zamenjajte
- zahteva
- obvezna
- zahteva
- Zahteve
- Odpornost
- resonator
- Odgovor
- omejiti
- nazaj
- Ripple
- robusten
- robustnost
- Run
- Varnost
- Enako
- satelit
- satelitov
- izbran
- izbiranje
- izbor
- polprevodnik
- Polprevodniki
- občutljiva
- Kompleti
- več
- Shield
- bistveno
- Podoben
- preprosto
- sam
- Velikosti
- Skin
- majhna
- So
- Soft
- sončna
- Rešitev
- rešitve
- nekaj
- Nekaj
- vir
- Vesolje
- posebej
- specifikacije
- Spectrum
- konice
- širjenje
- state-of-the-art
- Še vedno
- trgovina
- strategije
- stres
- precejšen
- taka
- Predlaga
- ne
- dobavi
- Površina
- Preklop
- preklopi
- sistem
- sistemi
- Bodite
- tehnike
- začasna
- Pogoji
- zemeljsko
- O
- njihove
- zato
- toplotna
- stvari
- 3
- Prag
- skozi
- do
- današnje
- toleranca
- tudi
- Skupaj za plačilo
- tradicionalna
- Vlak
- vlaki
- Prehod
- univerza
- uporaba
- Vakuumska
- vsestranski
- Proti
- preko
- vidljivost
- vidna
- Napetost
- Ranljivi
- Wave
- valovi
- teža
- Kaj
- ki
- medtem
- bo
- brez
- delo
- deluje
- X
- zefirnet
- nič