di Salah Ben Doua e Ken Coffman | Principal Applications Engineer e Senior Field Applications Engineer di Vicor
I sistemi elettronici nello spazio sono esposti a molti rischi, tra cui il bombardamento costante di radiazioni di onde e particelle, che possono provocare disturbi e guasti gravi ai dispositivi a semiconduttore. Non tutte le applicazioni spaziali, tuttavia, richiedono lo stesso livello di protezione dalle radiazioni: mentre le applicazioni per lo spazio profondo utilizzano componenti molto costosi, le applicazioni cosiddette “New Space”, in cui circolano satelliti Leo e Meo, ossia in orbite basse e medie, richiedono solo componenti e circuiti “radiation-tolerant”. Una soluzione ottimale in questi casi sono i moduli Vicor, che combinano soluzioni di soft-switching, componenti attivi con tolleranza alle radiazioni e componenti passivi qualificati per il settore automobilistico.
Progettare accuratamente l’elettronica di potenza
Nel frenetico ambiente commerciale del New Space di oggi, i costi di lancio e di sostituzione dei satelliti guasti e inattivi sono notevoli, quindi è importante una progettazione accurata, che cominci con una selezione di componenti per la tolleranza alle radiazioni. Bisogna tenere presente che alcuni nodi di processo dei semiconduttori hanno migliorato le prestazioni alle radiazioni e che i semiconduttori bipolari possono essere selezionati in base alla classificazione dei danni da dislocamento. I FET a banda larga (GaN) hanno una tolleranza intrinseca alle radiazioni, mentre alcuni condensatori epossidici ed elettrolitici in alluminio producono gas nel vuoto, rendendoli inadatti all’uso in ambienti spaziali. Altre importanti considerazioni sono le seguenti:
- i lotti di prodotti devono essere testati a campione per verificare le prestazioni alle radiazioni, in modo da tenere conto delle variazioni da lotto a lotto;
- è possibile implementare più istanze dei sistemi, secondo un principio di ridondanza fisica: se un sistema si guasta, può subentrare un altro. In alcuni casi, ci sono tre sistemi che operano in parallelo. Se uno non è in accordo con gli altri due, la sua uscita può essere ignorata;
- i Mosfet di potenza possono essere declassati in modo che, dopo l’inevitabile degrado della soglia VGS, il dispositivo sia ancora funzionante alla fine della vita della missione;
- la schermatura può proteggere l’elettronica sensibile, ma se l’energia delle particelle è sufficientemente alta, la cascata di particelle della schermatura può aggravare il problema;
- si possono aggiungere circuiti per monitorare le prestazioni, scollegare e riavviare i sistemi incoerenti se un guasto è recuperabile. La schermatura può proteggere i componenti elettronici indipendentemente dalle strategie di progettazione e dalle topologie di alimentazione.
Topologie e modalità di commutazione innovative
Per valutare quale topologia adottare nella progettazione dell’alimentazione vanno considerati elementi come la densità di potenza, l’efficienza, la risposta ai transitori, il ripple di uscita, le emissioni di interferenze elettromagnetiche (EMI) e i costi.
La perdita di commutazione si verifica durante l’accensione e lo spegnimento dei Mosfet di un convertitore di potenza attraverso i requisiti di gate-charge e la capacità drain-to-source. Le perdite di commutazione aumentano con la frequenza di commutazione, limitandola. Le perdite di conduzione del body-diode riducono ulteriormente l’efficienza della conversione di potenza nei convertitori hard-switched.
Sebbene i FET GaN non abbiano un body diode fisico, hanno una modalità di conduzione inversa che si blocca a diversi volt. Questo rende il tempo morto di conduzione del GaN molto difficile da gestire.
In una topologia buck sincrona hard-switched, il FET high-side si accende quando ha la massima tensione e conduce la massima corrente durante la porzione di accensione del ciclo operativo: maggiore è la tensione di ingresso, maggiore è la perdita di potenza, per cui i convertitori in applicazioni ad alto rapporto di tensione (ad esempio, da 28 V a 3,3 V) offrono un’efficienza inferiore rispetto ai convertitori con rapporti di conversione maggiori (ad esempio, da 5 V a 2,5 V).
I vantaggi del soft switching
Le topologie soft-switching possono rendere un sistema meno sensibile agli effetti parassiti come il ringing, che aumenta lo stress di tensione sui componenti di commutazione, e ridurre quindi le perdite di commutazione. Un esempio di soft switching è la tecnica di commutazione a tensione zero (ZVS), che migliora l’efficienza di conversione in una gamma di topologie di potenza. La tecnica ZVS attiva il FET high-side quando la sua tensione è pari o vicina allo zero. Il funzionamento di un interruttore a pinza con la tecnica ZVS consente al convertitore di immagazzinare una piccola quantità di energia nell’induttore di uscita quando entrambi i FET high-side e low-side sono spenti. Il convertitore utilizza questa energia altrimenti sprecata, per scaricare la capacità di uscita del FET high-side e caricare il parassita di uscita del FET sincrono.
L’esclusione della capacità di uscita del FET dal comportamento di accensione dell’interruttore desensibilizza la selezione del FET per quanto riguarda la Cgd e, di conseguenza, consente ai progettisti di concentrarsi sulla resistenza di canale on-state anziché sulle figure di merito tradizionali, come il prodotto della resistenza di canale e della capacità di gate. Questo metodo di azionamento del FET high-side durante l’accensione evita di eccitare l’induttanza e la capacità parassita dello switch, che tendono a risuonare, inducendo grandi picchi di tensione e ringing in topologie hard-switched. Eliminando i picchi e riducendo il ringing, la tecnica ZVS rimuove un termine di perdita di potenza ed elimina una fonte di emissione EMI. L’eliminazione dei picchi di tensione dal comportamento di commutazione consente inoltre ai progettisti di selezionare FET a tensione più basse con RDSON inferiori per migliorare l’efficienza.
La proposta di Vicor
Vicor utilizza tecniche di soft-switching nelle sue soluzioni di moduli di potenza resistenti alle radiazioni per l’alimentazione di ASIC di comunicazione ad alte prestazioni dedicati alle applicazioni satellitari Meo e Leo. I moduli Vicor combinano soluzioni di soft-switching, componenti attivi con tolleranza alle radiazioni e componenti passivi qualificati per il settore automobilistico. Tutti i moduli radiation-tollerant includono convertitori di potenza completamente ridondanti che operano in parallelo: se uno dei due converitori viene disturbato da un singolo evento, i suoi circuiti di protezione forzano un reset di spegnimento. Durante l’intervallo di reset, il convertitore ridondante sostiene l’intero carico e dopo il reset entrambi funzionano nuovamente in parallelo.
I moduli di sistema utilizzano la topologia buck-boost ZVS per il PRM™ e ZVS e ZCS Sine Amplitude Converters (SAC™) sia per il BCM® che per il VTM™. Le dimensioni ridotte del VTM consentono di posizionare il modulo il più vicino possibile all’ASIC, una soluzione fondamentale quando si ha a che fare con le elevate correnti consumate dai moderni ASIC, FPGA, CPU e GPU.
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