Современные полупроводниковые технологии в космических аппаратах - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

106
Современные полупроводниковые технологии в космических аппаратах

Особенность космической отрасли в том, что с одной стороны она весьма консервативна, а с другой требует развития. На сегодня, одной и важнейших задач, которые ставят перед собой национальное Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Европейское космическое агентство (ESA), КНР и осваивающие космос частные коммерческие компании – это снизить массогабаритные показатели КА. И конечно, надо обеспечить более высокую эффективность использования не так просто достающейся в космосе электроэнергии.

 

Проблемы отвода тепла

Снизить потери, то есть, повысить эффективность в архитектуре управления питанием, может переход на современные транзисторы, выполненные на широкозонных полупроводниках, поскольку они устойчивы к радиации, отличаются малыми потерями и могут работать на очень высоких частотах коммутации при преобразовании энергии. Тем самым они обеспечиваю самым высокую удельную плотность мощности элементов систем питания, и уменьшают еще одну проблему – отвод тепла, которая не так легко, как кажется, решается в условиях космического пространства.

Дело в том, что у вакуума отсутствует теплопроводность (вспомните обыкновенный термос) и нет собственной температуры. Если обратиться к термодинамике, то температура определяется как производная от энергии системы по её энтропии, и при контакте двух тел тело с большим значением температуры T будет отдавать энергию другому.

КА в космосе, фактически представляющий собой группу движущихся молекул, можно охладить, если обеспечить ему контакт с группой более медленно движущихся молекул. Однако таких молекул практически нет, соответственно в космосе есть только один способ теплопередачи – излучение, для примера, на рис.1,а показана система охлаждения МКС.

Кроме того, проблема усугубляется еще и тем, что КА нагревает Солнце, соответственно необходима многослойная теплоизоляция (рис.1,б) – это так называемая экранно-вакуумная теплоизоляция.

Так что своего, лишнего, тепла лучше иметь поменьше, а, соответственно, эффективность преобразования энергии – побольше. Есть еще один способ охлаждения – это испарять нагретую в «недрах» КА жидкость впрыскивая ее в вакуум, но её нужно иметь, то есть нужно доставить на орбиту. Тем не менее, такие системы существуют.

 

Силовые полупроводниковые приборы

В направлении силовых приборов наиболее перспективными материалами для электронных компонентов выглядят полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной: нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC) и … алмаз, что для многих может показаться странным. На рис.2,а показана диодная матрицы на натуральной монокристаллической алмазной пластине, а на ее вставке – осажденный металлический анод поверх легированной кремниевой наномембраны, которая связана с природным монокристаллическим алмазом, а на рис.2,б – показан перспективный «алмазный» транзистор, разработанный в Университете Висконсин-Мэдисон в 2019 году.

У алмаза имеется ряд свойств, которые могут сделать его идеальным материалом для производства силовой электроники. Он может использоваться в условиях высоких электрических потенциалов, а низкое удельное сопротивление в случае правильного легирования кристалла, позволит проводить большие токи. Алмаз является одним из наилучших проводников тепла, поэтому проблема отвода и рассеивания выделяющегося тепла решается достаточно простыми способами.

Изготовленные из алмаза и имеющие размеры меньше одноцентой монеты, недавно разработанные устройства могут передавать сигналы с более высокими динамическими диапазонами, чем любые другие существующие технологии. Однако здесь пока остаются технологические проблемы связанные, в первую очередь, с легирование. А на подходе еще и такой уникальный материал, как графен и перспективы применения окиси ванадия.

Приборы на базе широкозонных полупроводниковых материалов, при соответствующей технологи,и и в зависимости от их конкретного применения в той или иной конструкции, могут дать существенные, с точки зрения эффективного использования мощности, преимущества, причем будь то преобразование напряжения постоянного тока или генерация микроволнового излучения.

Применения таких приборов в космосе связано с их малой чувствительностью к космическому излучению, возможностью работы при высоких температурах и на высоких частотах, более низком уровне собственных шумов и меньшей генерации электромагнитных помех (ЭМП). Следовательно, можно с уверенностью сказать, что именно компоненты с широкой запрещенной зоной стратегически важны как для текущих космических систем, так и систем следующего поколения.

 

Использование нитрид-галлиевых транзисторов

В настоящее время наиболее реальным для КА является использование нитрид-галлиевых транзисторов, которые имеют свои особенности и отличаются от кремниевых полевых транзисторов. Полевые транзисторы со встроенным каналом проводят ток при нулевом напряжении затвор-исток, а для закрытия канала к его затвору нужно приложить запирающее напряжение, что в ряде применений крайне неудобно.

Транзистор с индуцированным каналом при нулевом напряжении затвор-исток будет закрыт, а для открытия к его затвору нужно приложить то или иное напряжение, что повышает помехоустойчивость и отказоустойчивость, так как исключает случайные включения при снятии напряжения управления. В силовой технике в настоящее время применяются в основном GaN транзисторы с индуцированным каналом (далее по тексту под нитрид-галлиевыми будут подразумеваться транзистора именно этого типа). Такие транзисторы являются предпочтительными коммутирующими и преобразующими элементами источников питания КА.

Причина, по которой именно нитриду галлия принадлежит пальма первенства в энергетических решениях, связанным с космосом, и почему именно эта полупроводниковая технология станет одной из наиболее важных для элементов в источниках питания, кроется в трех показателях: размер, вес и энергоэффективность. Эти три наиболее важных элемента в любом КА, связанны, конечно же, еще с радиационной стойкостью и с надежностью.

Кроме того, использование полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия, дает определенные преимущества и в части уменьшения генерации ЭМП и, соответственно, в решении проблем электромагнитной совместимости (ЭМС) в целом. Последнее из сказанного связано с тем, что уменьшение физических размеров ключевых силовых компонентов и внутренних линий связи от кристалла к выходным терминалам уменьшает паразитные эффекты, что приводит к меньшему количеству энергии, запасаемой и выделяемой ими во время каждого цикла переключения. Кроме того, сама топология и архитектура такой схемы занимает меньшую площадь, что дает возможность разработчикам уменьшить и индуктивности паразитных контуров, которые могут выступать на плате в качестве передающей и приемной антенн.

Однако одно дело аппаратура на Земле, а совсем другое – космос, так как здесь еще одним важным фактором выступает радиационная стойкость, что крайне важно в условиях космического пространства. Одним из первопроходцев здесь является компания Freebird, которая в 2016 г. взяла на вооружение коммерческий нитрид-галлиевый продукт, разработанный компанией Efficient Power Conversion (EPC) и именно она начала выпускать его под торговой маркой eGaN®.

Использование технологии от компании EPC устранило существующую неопределенность в поведении нитрид-галлиевых транзисторов, имеющую место в коммерческом сегменте, что дало возможность компания Freebird продолжить дальнейшую разработку продуктов на основе этой технологии для космоса. И одним из важнейших свойств приборов на основе нитрида галлия как раз является их более высокая радиационная стойкость.

На рис.3 показана структура такого полевого GaN-транзистора, разработанного компанией EPC. Его основой является стандартная кремниевая пластина, а нитрид галлия и другие необходимые материалы добавляются сверху, как это показано на рис.3.

GaN-транзистор является полупроводниковым прибором с вертикальной структурой, а ток в нём течет горизонтально через двумерный электронный газ в объеме нитрида галлия (он показан на диаграмме пунктиром «-»). Поскольку нитрид галлия – это широкозонный полупроводник, то по сравнению с кремнием разделение между стоком и истоком в нем теоретически может быть в 10 раз меньше. Для одного и того же сопротивления канала в открытом состоянии RDS(ON)ширина канала может быть значительно более узкой как раз из-за гораздо меньшей длины.

Полевые GaN-транзисторы по своей природе не требуют обратного диода как такового, так как у них есть механизм обратной проводимости выполняющий его функцию. В отличие от кремниевых МОП-транзисторов здесь не происходит накопления неосновных носителей, соответственно, потери на восстановление обратного диода отсутствуют. Эти транзисторы проводят в обратном направлении, используя тот же канал, который они используют в прямом направлении, минуя внешний элемент.

На условном обозначении (рис.3) обратный диод показан по традиции, так как его функция выполнятся. Кроме того, при желании, к GaN-транзистору, всегда можно подключить дополнительный параллельный диод Шоттки, причем здесь, как правило, достаточно диода малой мощности. Падение напряжения при обратной проводимости (исток-сток) больше, чем падение на диоде, однако, общие потери сводятся к минимуму благодаря очень короткому времени восстановления, которое составляет всего 5-15 нс. Подробнее об особенностях транзисторов этого типа в [3].

GaN транзисторы также выигрывает по отношению к МОП-транзисторам и в размерах. Эти устройства могут быть установлены непосредственно на керамическую подложку (не требуя внешней упаковки), тем самым устраняя проволочные связи. Устранение проволочных связей в конструкциях eGaN позволяет полностью реализовать высокоскоростные характеристики переключения, а поскольку при этом исключается паразитная индуктивность, которая может вызвать самые разные проблемы, связанные с переходными процессами, такие как броски напряжения и токовый звон (высокочастотный гармонический затухающий переходной процесс).

 

Радиационная устойчивость

Устройства eGaN отлично зарекомендовали себя на рынке в качестве эффективной замены устойчивых к космическому излучению МОП-транзисторов, которые используются как основной компонент от военных программ до небольших спутниковых систем и им всем нужны именно радиационно-стойкие транзисторы. Актуальные проблемы, которые необходимо преодолеть, – это стоимость (по факту здесь имеется всего один крупный поставщик, а также несколько вторичных поставщиков).

Для того чтобы космические аппараты должным образом функционировали на орбите, их компоненты в условиях космического пространства должны поддерживать надлежащую работу при длительном воздействии с медленно (LowDoseRate, LDR) и быстро (HighDoseRate, HDR) накопленной дозой облучения и полной поглощенной дозы ионизирующего излучения (TotalIonizingDose, TID). Они также быть устойчивыми к одиночным событиям (SingleEventEffects, SEE), возникающих при воздействии таких ионизирующих частиц, как, например, тяжелые ионы.

На испытаниях воспроизводят ситуацию, которая происходит в случае, когда в транзистор попадают тяжелые частицы (протоны, электроны, альфа-частицы, термические нейтроны и т. д.). Такие частицы, проходя сквозь объем полупроводника, оставляют за собой трек (шлейф) из свободных носителей заряда. Это приводит к генерации электронно-дырочных пар в подзатворном окисном слое обычных кремниевых МОП-транзисторов. Более подробно проблема радиационной стойкости транзисторов технологии eGaN изложена в [3].

В настоящее время на низкой околоземной орбите существуют довольно-таки крупные спутниковые системы для передачи данных. Эти системы имеют высокое энергопотребление и нуждаются в технологии для максимально эффективного удовлетворения этих потребностей. Здесь также были выбраны устройства eGaN от компании Freebird, выполненные поверх карбида кремния (SiC). Основой полупроводниковой силовой части здесь служит нитрид галлия, поскольку SiC не имеет адекватных базовых возможностей обеспечения такой радиационной стойкости, как это характерно самой природе eGaN.

Однако сам по себе нитрид-галлия даже в режиме eGaN изначально не является устойчивым к радиации, его надо таким сделать. Тем не менее, он является радиационно-устойчивым благодаря своей невосприимчивости к суммарной ионизирующей дозе излучения TID. Но, с точки зрения эффектов сильных ионов с единичными событиями SEE, необходимо контролировать и корректировать процесс изготовления транзисторов.

 

Качество и надежность

Для оценки качества полевых транзисторов применяют такой показатель, как Figure of Merit (FoM). Он учитывает одновременно потери на включенном транзисторе и потери на переключение. Обычно FoM вычисляется как произведение сопротивления канала сток-исток открытого транзистора R(DS)ON на заряд затвора QG или входную емкость FoM = R(DS)ON • Ciss. Эта характеристика показывает, сколько энергии нужно затратить для того, чтобы полевой транзистор полностью открылся. С точки зрения рациональной конструкции трудно одновременно снизить оба параметра, так что такой параметр, как FoM, является достаточно точным для оценки качества полевого транзистора.

МОП-транзисторы представляют собой «старую» технологию с большими размерами кристаллов и параметром FoM, который намного выше, чем у полевых транзисторов по технологии eGaN, у которых снижение FoM обеспечивает лучшую эффективность, то есть, более высокий КПД. Это снижение связано с уменьшением заряда затвора eGaN в 10-40 раз по сравнению с лучшими радиационно-стойкими МОП-транзисторами. Кроме того, «космические» МОП-транзисторы проигрывают нитрид-галлиевым в таком важном параметре, как сопротивление канала в открытом состоянии, а, следовательно, в потерях в состоянии проводимости.

Что касается подтверждения надежности нитрид-галлиевых транзисторов, то здесь ситуация пока остается сложной. Нитрид-галлиевые транзисторы – это сравнительно недавняя разработка и по ним реальные статистические данные об их долговременной надежности не накоплены. Поэтому надежность GaN HEMT транзисторов пока подтверждается только процессом ускоренных испытаний.

Для силовых нитрид-галлиевых транзисторов добавился еще и такой новый фактор, как необходимость функционирования при значительно более высоких напряжениях сток-исток. Еще одно отличие заключается в том, в целях снижения себестоимости силовые GaN-транзисторы выращиваются не на карбиде кремния, а на кремниевых подложках и здесь используются материалы, совместимые с технологией кремния. Вопрос этот сложный и требует детального рассмотрения, выходящего за рамки данной статьи.

 

Модульный блок для построения DC/DC-преобразователя от компании Freebird

Примером использования eGaN-транзисторов является серия GAM-адаптеров компании Freebird– это модульные блоки, содержащие высоконадежные полевые малосигнальные eGaNтранзисторы, сконфигурированные как драйверы затворов высокоскоростных ключей, а также силовых eGaNв преобразователях мощности. Эти устройства типа «GaN-Driving-GaN» поставляются в корпусах для поверхностного монтажа с габаритными размерами в диапазоне от 0.75x0.38x0.125” для драйвера одного затвора, до 1.00x0.75x0.125” для выполнения функций более высокого уровня. Эти более крупные модули могут иметь драйверы нижней стороны, драйверы верхней стороны, а также полный многофункциональный модуль с полумостом – силовой каскад для системы PoL, как в FBS-GAM02 показанной на рис.4 (H/S означает высокоскоростной).

Модуль FBS-GAM02 полностью выполнен на устройствах технологии eGaN, за исключением диодов, конденсаторов и резисторов, что исключает нанесение ущерба от излучения с низкой мощностью дозы.

Все устройства FBS-GAM0X содержат испытанную непосредственно в ходе летных испытаний схему запатентованную компанией Freebird (патент США № 10,122,274 B2) – базовую конструкцию блоков eGaN, из которых пользователи могут создавать самый широкий спектр источников питания. А именно, прямоходовой и обратноходовой DC/DC-преобразователи, полный мост, понижающий и повышающий DC/DC-преобразователи, повышающе-понижающий DC/DC-преобразователь по топологии Вайнберга (см. [2]), DC/DC-преобразователь Чука, а также неизолированные, изолированные на первичной стороне или изолированные на вторичной стороне DC/DC-преобразователи.

Дискретные и модульные варианты GAM, помимо источников питания, могут использоваться и для целого ряда иных применений, таких как приводы, силовые выключатели, драйверы пускового устройства, переключатели сброса нагрузки, в приводах для однофазных и трехфазных электродвигателей.

Коммерчески доступные космические продукты компании Freebird в настоящее время предлагается в их уникальном запатентованном корпусе который залит эпоксидной смолой, например, GAM – модуль нитрид-галлиевого адаптера, показанный на рис.5.

Многие источники питания, используемые в космических приложениях, по ряду соображений, используют жесткий режим переключения. Такое переключение, как известно, имеет недостатки, крупнейшим из которых является наличие потерь в процессе переключения, которые растут с увеличением частоты. Самые «медленные» коммерчески доступные космические многофункциональные модули eGaN компании Freebird, благодаря независимым драйверам, способны работать на частотах до 500 кГц (полностью без снижения характеристик) и до 1 МГц (с понижением мощности в зависимости от температуры).

 

GaN транзисторы повышают эффективность классических топологий

Перспективные решения в области продуктов преобразования мощности с гарантированной радиационной стойкостью разрабатываются целым рядом игроков космического рынка. Так группа SET (SET Group), работающая в партнерстве с NASA, специализируется на проектировании и разработке силовых преобразователей высокой плотности мощности. По состоянию на 2019 год группа достигла удельной мощности модуля 15-20 кВт/кг.

В 2017 г. группа SET начала работу с NASA над проектированием, изготовлением и демонстрацией готового образца мощного высокочастотного широкодиапазонного резонансного LLC-преобразователя (LLC – читается как «индуктивности-индуктивность-емкость») на основе полупроводниковых приборов технологии нитрида галлия, способного работать на большой мощности и высоких частотах преобразования энергии. Разработанный группой LLC-преобразователь работает при входном напряжении от 95 до 150 В и может выдавать напряжение от 600 В до 1.8 кВ. В нем используются GaN HEMT транзисторы от Freebird (номинальная устойчивость к радиации до 300 крад) и используется новое решение теплоотвода выполненное методом 3D-печати. На рис.6 в качестве примера показаны графики КПД и топология разработанного группой SET резонансного LLC-преобразователя.

На рис.6,а показана зависимость КПД от мощности для 1 кВт LLC-преобразователь разработки группы SET на силовых нитрид-галлиевых транзисторах. На рис.6,б – общая топология преобразователя.

Совместно с нитрид-галлиевыми транзисторами компании Freebird группа SET NASA успешно разработала еще один LLC-преобразователь мощностью 1.25 кВт в форм-факторе «половинного кирпича» (2.4х2.3х0.5 дюйма) с входным напряжением 70-150 В и выходным напряжением 200-600 В.

 

Заключение

Поскольку космическая отрасль уже давно коммерческая, то она живет по законам рынка. Например, для того чтобы быть в настоящее время конкурентоспособными по стоимости вывода полезной нагрузки на орбиту, для таких ракет-носителей, как Delta или Atlas, затраты на их запуск должны быть снижены примерно от 200 до 250 миллионов USD. Это результат конкуренции на рынке, тем более с присутствием на нем такого игрока, как компания SpaceX. Компания уже имеет успешно испытанный тяжелый носитель с повторным использованием ускорителей и первой ступени и, соответственно, сниженной за этот счет стоимостью.

Кроме того, в спутниковой индустрии стоимость КА может варьироваться от 500 миллионов и до 1 миллиарда USDи здесь конкуренция еще больше, так что, если вы хотите оставаться в игре, то и здесь расходы также должны быть снижены. Часть необходимой экономии может дать перевод систем питания на более совершенную топологию и современную элементную базу.

В таком направлении, как эффективность и повышении плотности мощности, именно технология изготовления полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия, по сравнению с традиционной кремниевой, дает много существенных преимуществ.

 

Автор статьи выражает признательность за предоставленное ему Стивом Тарановичем (Steve Taranovich, США), компанией Efficient Power Conversion (США) и журналом Power Systems Design эксклюзивное разрешение использовать в виде авторского перевода часть материалов статьи [4].

 

Литература:

1. Рентюк Владимир. Космические аппараты и системы питания. Общие принципы. // Электрик. – 2020. – №9. – С.28.

2. 1. Рентюк Владимир. Космические аппараты системы питания и распределения мощности. // Электрик. – 2020. – №10. – С.44.

3. Киран Бернард (Kiran Bernard). Перевод: Владимир Рентюк, Павел Башмаков. Преимущества использования полевых GaN-транзисторов в непилотируемых космических аппаратах. // Вестник электроники. – 2018. – №2.

https://vestnikmag.ru/gan-tranzistor-v-kosmicheskih-apparatah

4. Taranovich Steve. GaN in Space // https://www.powersystemsdesign.com/articles/gan-in-space/138/15402

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus