Electronique Mag - Le journal de l'électronique.
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Les systèmes électroniques spatiaux évoluent dans un milieu hostile, avec notamment un bombardement constant de rayonnement d’ondes et de particules. Les dispositifs à base de semi-conducteurs sont particulièrement vulnérables aux rayonnements de particules, car ces derniers peuvent provoquer des dysfonctionnements et des pannes matérielles.
Le niveau de protection contre les particules varie selon les applications. Les applications pour l’espace lointain, par exemple, impliquent des composants onéreux conçus pour résister aux radiations. Toutefois, les applications destinées au New Space, où évoluent les satellites en orbite basse (LEO) ou moyenne (MEO), nécessitent uniquement des composants et des circuits « tolérant aux rayonnements ».
Comme illustré dans la Figure 1, l’exposition aux rayonnements d’ondes et de particules a des effets similaires, même si leur impact sur le système intervient à des niveaux différents. Les particules individuelles ont une faible masse, mais atteignent parfois une vélocité extrême. Elles peuvent porter des charges électriques, généralement positives lorsque des électrons à charge négative quittent l’orbite des atomes.
Le rayonnement de particules peut créer des dommages physiques, notamment sur les réseaux cristallins des semi-conducteurs, et ces dommages sont permanents et/ou cumulatifs. Les systèmes sont également soumis à des dysfonctionnements lorsque les électrons sont attirés dans des zones de déplétion et rendent conductrice une zone qui ne l’est normalement pas. Par ailleurs, si des ions positifs viennent remplacer des atomes dopants dans une matrice cristalline, cela peut occasionner des dommages permanents, car induire de la conduction dans un semi-conducteur au mauvais moment entraîne des dommages permanents du fait du dysfonctionnement du circuit.
La plupart des dommages imputables au rayonnement sont cumulatifs et, par conséquent, la durée de la mission est un facteur clé.
Dans le contexte dynamique du New Space, les coûts de lancement et de remplacement des satellites sont considérables, ce qui impose une conception rigoureuse.
Sélectionnez les composants en fonction de leur tolérance aux rayonnements. Certains noeuds de processus de semi-conducteur présentent de meilleures performances pour les rayonnements. Les semiconducteurs bipolaires sont intéressants pour leur niveau du point de vue des dommages par déplacement. Les transistors à effet de champ à large intervalle de bande (GaN) tolèrent naturellement les rayonnements. Certains condensateurs à revêtement époxy et électrolytiques à l’aluminium dégazent dans le vide, ce qui les exclut des environnements spatiaux.
Les lots de produits doivent être échantillonnés pour évaluer leurs performances lors de l’exposition aux rayonnements, afin de maîtriser les variations de ces lots.
Plusieurs instances des systèmes peuvent être implémentées. La redondance physique renforce la sécurité. Si l’un des systèmes échoue, l’autre prend le relais. Certains systèmes peuvent comporter jusqu’à trois modules fonctionnant en parallèle. Si les résultats de l’un diffèrent de ceux des deux autres, il peut être ignoré.
Il est possible de déclasser la puissance des MOSFET à la baisse, de sorte qu’après la dégradation inévitable de leur seuil de conduction, le dispositif reste fonctionnel jusqu’à la fin de la mission.
Le blindage permet de protéger les composants sensibles, mais si l’énergie des particules est suffisamment élevée, les cascades de particules de blindage risquent d’aggraver le problème.
Des circuits peuvent être ajoutés pour suivre les performances, déconnecter et redémarrer des systèmes incohérents si un défaut est récupérable.
Quelles que soient les stratégies de conception et les topologies d’alimentation, les systèmes électriques pour le New Space doivent faire l’objet d’une analyse rigoureuse, être testés et simulés en termes de performances environnementales et de résistance aux rayonnements.
Les topologies à commutation douce, par opposition aux convertisseurs à commutation dure, peuvent rendre un système moins sensible aux parasites, tels que les suroscillations qui augmentent la contrainte de tension des composants de commutation.
Les facteurs influant sur l’évaluation d’une topologie incluent la densité d’alimentation, le rendement, la réponse transitoire, l’ondulation de sortie, les interférences électromagnétiques (EMI) et le coût.
La perte de commutation se produit lors de l’activation/désactivation d’un MOSFET du convertisseur via la charge de grille et la capacité drain-source. Les pertes par commutation augmentent avec la fréquence de commutation, et donc la limitent. Les pertes par conduction de la diode parasite du FET nuisent encore davantage à l’efficacité de conversion de puissance dans les convertisseurs à commutation dure. Bien que les GaN FET n’aient pas de diode parasite, ils ont un mode de conduction inverse fixé à plusieurs volts. Cela rend la période de conduction du temps mort du GaN très difficile à gérer.
Dans une topologie abaisseur synchrone à commutation dure, le FET côté haut s’active lorsqu’il est soumis à la tension maximale à ses bornes et conduit son courant maximum pendant la partie d’activation du cycle de fonctionnement (voir Figure 2, côté gauche).Plus la tension d’entrée est élevée, plus la perte de puissance est élevée, de sorte que les convertisseurs dans les applications à rapport de tension élevé (par exemple, 28 V à 3,3 V) offrent un rendement inférieur à celui des convertisseurs avec des rapports de conversion plus élevés (par exemple, 5 V à 2,5 V)
La commutation douce réduit les pertes par commutation. La commutation au zéro de tension (ZVS) est l’une des techniques de commutation douce qui améliore l’efficacité de la conversion pour toute une série de topologies d’alimentation. La commutation ZVS active le FET du haut lorsque la tension à ses bornes est égale ou proche de zéro (voir Figure 2, côté droit).
L’utilisation d’un interrupteur supplémentaire avec la technique ZVS permet au convertisseur de stocker une petite quantité d’énergie dans l’inductance de sortie lorsque les commutateurs du haut et du bas sont tous les deux ouverts. Le convertisseur utilise cette énergie qui était gaspillée pour décharger la capacité de sortie du transistor à effet de champ (FET) du haut et charger la capacité parasite du FET synchrone de sortie.
Le fait de retirer le condensateur de sortie du FET du comportement d’activation du commutateur désensibilise la sélection du FET concernant le Cgd et permet par conséquent aux concepteurs de se concentrer sur la résistance à l’état passant au lieu des valeurs de mérite traditionnelles telles que le produit de la résistance à l’état passant et de la capacité de la grille.
Cette méthode de contrôle du FET du haut pendant l’activation évite d’exciter l’inductance et la capacité parasites du commutateur, qui tendent à résonner, en induisant des grands pics de tension et de suroscillation dans les topologies à commutation dure (voir la Figure 3a). En éliminant les pics et en réduisant la suroscillation (voir la Figure 3b), la technique ZVS supprime un source de perte de puissance et élimine une source d’émissions EMI.
L’élimination des pics de tension du comportement de commutation permet également aux concepteurs de sélectionner des FET ayant une tension plus faible avec une valeur RDSON inférieure pour améliorer le rendement.
Vicor utilise des techniques de communication douce dans ses modules de puissance tolérants aux rayonnements pour alimenter des ASIC de communication hautes performances (voir la Figure 4) dédiés aux applications pour satellites en basse et moyenne orbite. Les modules du système utilisent la topologie Buck-Boost ZVS pour le PRM™ et les convertisseurs d’amplitude sinusoïdale (SAC™) ZVS et ZCS pour le BCM® et le VTM™.
Le format compact du VTM permet de le placer aussi près que possible de l’ASIC. L’optimisation du réseau de distribution de puissance (PDN) est vitale concernant les courants élevés consommés par les ASIC, FPGA, processeurs et processeurs graphiques modernes. Les modules Vicor combinent des solutions de commutation douce, des composants actifs tolérants aux radiations et des composants passifs qualifiés pour l’automobile.
Pour atténuer l’interruption de fonction d’un événement unique, tous les modules tolérants aux rayonnements incluent deux convertisseurs redondants fonctionnant en parallèle. Si un convertisseur est perturbé en raison d’un seul événement, ses circuits de protection forcent une réinitialisation hors tension. Pendant l’intervalle de réinitialisation, le convertisseur redondant supporte la pleine charge et après la réinitialisation, les deux convertisseurs fonctionnent à nouveau en parallèle.
Parmi de nombreux autres facteurs, la sélection d’une topologie et d’un mode de commutation sont des facteurs importants lors de la conception de convertisseurs de puissance pour le New Space.
