Orbital Test Vehicle (OTV) Boeing X-37

Системы питания и перспективы использования GaN в космических аппаратах.
Часть 2: питание КА, практические решения

№ 1’2020
PDF версия
В предлагаемой статье речь идет о нередко забываемой или малозаметной части космического аппарата (КА), позволяющей ему путешествовать в космосе, а именно об управлении электропитанием и роли в этом современных полупроводниковых приборов, созданных на основе нитрида галлия (GaN). Данная публикация является продолжением [1] и приводится в виде авторского перевода [2], выполненного с рядом дополнений по эксклюзивному разрешению ее автора — компании Efficient Power Conversion (США) и журнала Power Systems Design.

Начало статьи.

Уже более девяти лет устройства на основе нитрида галлия демонстрируют очень высокую надежность не только при лабораторных испытаниях, но и в таких реально работающих длительное время приложениях, как лидары для автономных автомобилей, базовые станции сетей сотовой связи 4G, фары транспортных средств, радары и особенно системы КА, что, собственно, и является темой статьи. Ярким примером одного из таких КА служат телекоммуникационные спутники и Международная космическая станция (МКС).

 

Международная космическая станция

Для питания столь крупного КА, как Между­народная космическая станция (англ. International Space Station, ISS) (рис. 1), которая несомненно является уникальным творением человека в космосе, требуются десятки киловатт электроэнергии, для чего на ней установлено восемь сборок по две солнечные панели каждая (серебристые блоки на рис. 1 — это не батареи, а элементы системы охлаждения).

Международная космическая станция. Изображение из «Википедии»

Рис. 1. Международная космическая станция. Изображение из «Википедии»

Используемые в настоящее время американские солнечные панели состоят из согласованных наборов развертываемых крыльев, простирающихся на 34 м (111,6 фута) в противоположных направлениях от опорных сегментов МКС, в которых содержится электроника и приводы ориентации панелей на Солнце, блоки системы питания, буферные батареи и система терморегуляции, независимая для каждого модуля. Каждая панель имеет 16400 ячеек, а ее площадь примерно 105 м2. Общая площадь всех 16 панелей достигает 1680 м2. Кроме кремниевых фотоэлектрических элементов, панели содержат гибкие печатные схемы и байпасные диоды, а каждая элементарная ячейка на солнечной стороне покрыта тонким защитным стеклом. Обходные диоды размещены параллельно с каждыми восемью ячейками, чтобы минимизировать снижение производительности в результате повреждения ячеек и устранить потенциальное повреждение ячейки из-за разогрева с обратным смещением во время частичного затенения массива.

Панели имели начальную номинальную эффективность 14,5%, которая постепенно снизилась в течение их 15-летнего срока службы. Сейчас они обеспечивают 80 кВт электроэнергии (первоначально было 124 кВт) при напряжении примерно 160 В (при соответствующем освещении).

Канал электропитания МКС

Рис. 2. Канал электропитания МКС

Для поддержки питания МКС от восьми сдвоенных солнечных батарей, как это обычно принято, используются буферные аккумуляторные батареи. Канал электропитания станции представлен на рис. 2, а на рис. 3 показан коммутационный блок главной шины электропитания. Это устройство когда-то неправильно функционировало, что привело к проблемам на станции, так что тем более необходимо, чтобы разработчики извлекли из этого соответствующие уроки и направили свои усилия на совершенствование и повышение отказоустойчивости таких систем в космосе.

Коммутационный блок главной шины электропитания МКС

Рис. 3. Коммутационный блок главной шины электропитания МКС

Электроэнергетическая система (EPS) на борту Международной космической станции обеспечивает всю энергию, необходимую для непрерывной и надежной работы космического корабля. Исследовательский центр имени Джона Гленна NASA (Glenn Research Center) является лидером в области проектирования устойчивого к космической радиации оборудования и интеграции подсистем оборудования системы электропитания. Специалисты этого центра также отвечают за интеграцию этой системы с элементами от международных партнеров МКС.

За ориентацию солнечных панелей для оптимального получения энергии отвечает, естественно, электроника, а также два поворотных узла — вращающиеся структурные соединения. Небольшие вращающиеся структурные соединения, расположенные у основания солнечных панелей (обозначаемые BGA), обеспечивают одну ось вращения для их наведения на Солнце. Вращающиеся структурные соединения большего размера (обозначаемые SARJ) обеспечивают еще одну ось вращения и соединяют силовые модули с основной структурой станции. Когда панель проворачивается, каждое из этих вращающихся соединений передает электроэнергию через набор роликовых колец, поддерживающих непрерывное скользящее контактное электрическое соединение.

Система электропитания МКС состоит из множества аппаратных элементов, которые называются Orbital Replacement Units (ORU — блок, заменяемый на орбите). Каждый отдельный ORU считается подсистемой, и астронавты могут заменить его в случае сбоя. Это делается либо с помощью роботизированного захвата, либо при самостоятельном выходе в космос. Компоненты совместно обеспечивают выработку, распределение и накопление энергии для МКС. Энергия, собранная солнечными панелями и обеспечивающая МКС напряжением питания, первоначально в некоторой степени кондиционируется последовательным шунтирующим блоком (SSU).

Последовательный шунтирующий блок предназначен для грубого регулирования солнечной энергии, накапливаемой в периоды инсоляции, когда массивы собирают энергию в периоды наведения на Солнце. От солнечной батареи к SSU подключены восемьдесят две отдельные последовательные сборки солнечных элементов. Шунтируя или контролируя выход каждой строки, блок SSU регулирует количество передаваемой мощности. Регулируемое заданное значение напряжения контролируется компьютером, расположенным в опорных сегментах МКС, и обычно составляет около 140 В, но может быть в диапазоне 138–173 В. SSU имеет функцию защиты от перенапряжения для поддержания выходного напряжения ниже 200 В для всех условий эксплуатации. SSU очень важный узел, поскольку от него зависит работа панели. В 2014 году в таком узле произошел сбой, и для его замены потребовался выход в космос.

Затем частично кондиционированное напряжение SSU поступает через блок коммутации DCSU в блок зарядки/разрядки аккумулятора BCDU и используется для заряда буферных аккумуляторов. Пример реальных выдаваемых тока и напряжения для каждого блока солнечных панелей МКС показан на рис. 4.

Примеры реальных значений тока и напряжения для каждого блока солнечных панелей МКС

Рис. 4. Примеры реальных значений тока и напряжения для каждого блока солнечных панелей МКС

Начиная с 2016 года никель-водородные аккумуляторные батареи заменялись литий-ионными (Li-ion) аккумуляторами. Каждая литий-ионная батарея весит около 430 фунтов (195 кг), а каждая переходная плата-адаптер весит около 65 фунтов (28,5 кг), что по сравнению с никель-водородными батареями позволяет сэкономить более 200 фунтов (90,72 кг).

В зарядно-разрядном устройстве BCDU используется описанный ранее в [1] преобразователь Вайнберга. Далее за дело принимаются DC/DC-преобразователи, которые снабжают вторичную систему питания стабилизированным напряжением главной шины 124,5 В, что позволяет системе формирования первичной шины отслеживать точку пиковой мощности солнечных батарей. Это напряжение используется в американском сегменте. Напряжение может опускаться и в дальнейшем при использовании в других международных модулях: к примеру, одно японское оборудование требует 124, другое — 28, а третье — 50 В. Для российского сегмента напряжение опускают до 28 В. В первоначальной сборке станции, когда использовались солнечные батареи российского модуля (сейчас они свернуты), напряжение их главной шины (28 В) поднималось до необходимых для использования в американских модулях 120 В.

Как можно видеть, для такого решения системы питания оптимально подходят полевые транзисторы, рассчитанные на рабочие напряжения 200 и 350 В. Решения на основе силовых нитрид-галлиевых полупроводниковых приборов могут легко и эффективно с малыми потерями справиться с этой задачей и поэтому находят здесь самое широкое применение. Более подробно о системе питания МКС написано в [3].

 

Freebird Semiconductor и Freebird Semiconductor: связь науки и производства

Автор оригинальной статьи [2] имел возможность взять по этой теме интервью у директора по стратегии Джима Ларраури (Jim Larrauri) компании Freebird Semiconductor (далее — Freebird, название компании буквально переводится как «вольная пташка», что похоже на спутник, который иногда, в шутку, называют «птицей, которая выбрасывается в космос для оказания услуг»).

Касательно интересующего нас вопроса Джим Ларраури, который в 2015 году стал одним из основателей компания Freebird, сказал, что еще в 2016 году компания взяла на вооружение коммерческий нитрид-галлиевый продукт, разработанный Efficient Power Conversion (EPC) и выпускаемый под торговой маркой eGaN, в результате заключения закрытого соглашения. Использование технологии EPC устранило существующую неопределенность в поведении нитрид-галлиевых транзисторов, имеющую место в коммерческом сегменте, что дало возможность компания Freebird продолжить разработку продуктов на основе этой технологии для космоса [4].

На рис. 5 показана структура такого полевого GaN-транзистора, созданного компанией EPC. Его основой является стандартная кремниевая пластина, а нитрид галлия и другие необходимые материалы добавляются сверху, как это показано на рисунке.

Структура мощного GaN-транзистора, предложенного компанией EPC

Рис. 5. Структура мощного GaN-транзистора, предложенного компанией EPC

Обратите внимание, что этот полевой GaN-транзистор — полупроводниковый прибор с вертикальной структурой, ток в нем течет горизонтально через двумерный электронный газ в объеме нитрида галлия (он показан на диаграмме пунктиром «-»). Как уже было сказано, нитрид галлия — это широкозонный полупроводник. 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, частично именно из-за гораздо меньшей длины.

По своей природе полевые GaN-транзис­торы не требуют обратного диода как такового, поскольку у них есть механизм обратной проводимости, который выполняет его функцию. В отличие от кремниевых МОП-транзисторов (metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET) здесь не происходит накопления неосновных носителей, соответственно, потери на восстановление обратного диода отсутствуют. Эти транзисторы проводят в обратном направлении, применяя тот же канал, который они используют в прямом направлении, минуя внешний паразитный элемент. На условном обозначении (рис. 5) он показан по традиции, так как функция выполнятся. 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. Кроме того, при желании вдобавок к GaN-транзистору всегда можно установить дополнительный параллельный диод Шоттки, причем здесь, как правило, достаточно небольшого диода малой мощности. Подробнее об особенностях транзисторов этого типа в [9].

GaN HEMT-транзисторы также выигрывают по отношению к МОП-транзисторам и в размерах. Эти устройства могут быть установлены непосредственно на керамическую подложку (не требуя внешней упаковки), тем самым избавляя от проволочных связей. Устранение проволочных связей в конструкциях eGaN компании Freebird позволяет полностью реализовать высокоскоростные характеристики переключения HEMT eGaN, 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 переходный процесс).

Компания Freebird использует транзисторы технологии eGaN, но предоставляет их в структуре защищенного собственными патентами модуля вместе с необходимыми сопутствующими цепями и схемами управления — драйверами. Наличие многофункциональной печатной платы в модульной части и встроенных драйверов для силовых eGaN-транзисторов дает продукции этой компании стратегическое преимущество на космическом рынке силовых полупроводниковых приборов. В частности, такое корпусирование было разработано, чтобы помочь конечному пользователю успешно перейти от традиционных полупроводников на основе кремния к высоко­производительным нитрид-галлиевым полупроводниковым приборам.

Частью основной стратегии компании Freebird в этом направлении является предоставление стандартных решений, чтобы сделать внедрение eGaN-транзисторов с высокой подвижностью электронов (high-electron-mobility transistor, HEMT) более успешным. Эти недорогие и простые в реализации модульные решения используются в космических системах питания гибридных и электрических транспортных средств. Модули предоставляют конечному пользователю гибкость схемы, интегрированную в единый модуль — от конфигурации с полумостом до двух «независимых» ключей на нижней и верхней сторонах, все они, как уже было сказано, встроены в модули и используют технологию GaN-Driving-GaN (буквально: GaN управляет GaN).

 

Радиационная устойчивость

Устройства eGaN отлично зарекомендовали себя на рынке в качестве эффективной замены устойчивых к космическому излучению МОП-транзисторов, которые используются как основной компонент в поставках 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 из единого источника с превосходными продуктами, 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 (Low Dose Rate, LDR) и быстро (High Dose Rate, HDR) накопленной дозой облучения и полной поглощенной дозой ионизирующего излучения (Total Ionizing Dose, TID), а также они должны быть устойчивыми к одиночным событиям (Single Event Effects, SEE), возникающим при воздействии таких ионизирующих частиц, как, например, тяжелые ионы.

Эти испытания 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, что приводит к генерации электронно-дырочных пар в подзатворном окисном слое обычных кремниевых МОП-транзисторов. Более подробно проблема радиационной стойкости транзисторов технологии eGaN изложена в [11].

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 природе eGaN.

Сам по себе нитрид галлия даже в режиме eGaN изначально не является устойчивым к радиации, его надо таким сделать. Тем не менее он радиационно устойчив в технологическом смысле благодаря своей невосприимчивости к суммарной ионизирующей дозе излучения TID. Но с точки зрения эффектов сильных ионов с единичными событиями SEE необходимо контролировать и настраивать процесс так, чтобы получить от нитрида галлия желаемую радиационную стойкость.

В этом направлении для многих других процессов проектирования и изготовления полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия у разных поставщиков были проведены исследования, демонстрирующие при номинальном рабочем напряжении тот факт, что они не могут соответствовать требованиям SEE при бомбардировке тяжелыми ионами золота (Gold Heavy Ion standard — «золотой» стандарт). Существуют и другие, менее тяжелые ионы, с помощью которых удается успешно бомбардировать приборы этой технологии при моделировании альтернативных космических прикладных сред, но только если вы сможете пройти «золотой» стандарт при номинальном рабочем напряжении, вы достигнете действительно радикальных возможностей продукта.

Компания Freebird уникальным образом обеспечивает 100%-ную гарантию радиационной стойкости (в соответствии с MIL-STD-750, метод 1080 для SEE на «каждой пластине» поставляемого продукта eGaN), проводимой при типичном номинальном облучении ионами Au (пучок 15 МэВ) с линейной передачей энергии (LET) (Si) примерно 84,6 при энергии, равной 2365 МэВ, и диапазоне 124 мкм с типичными флюенсами (плотностью потока частиц) 3×105/1×107 в качестве стандарта испытания. Поскольку во всех модульных продуктах компании Freebird используется технология GaN-Driving-GaN, то данная технология обеспечения радиационной стойкости распространяется на весь ассортимент продукции.

Ведение бизнеса на космическом рынке означает возможность каждый раз снабжать этот сектор продуктами с гарантированной радиационной стойкостью. Пока это сложно и остается первым и главным препятствием для использования технологии нитрида галлия в космических приложениях. Однако компания Freebird вместе с компанией EPC [5] может заявить и доказать, что они способны предложить защищенную от радиации версию дизайна и преимущества технологического процесса EPC. От коммерческих нитрид-галлиевых продуктов вы не можете требовать это или принимать такую гарантию как факт.

 

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, чтобы полевой транзистор полностью открылся. С точки зрения рациональной конструкции трудно одновременно снизить оба параметра, поэтому такой параметр, как FoM, является достаточно оптимальным для оценки качества полевого транзистора.

МОП-транзисторы представляют собой «старую» технологию с большими размерами кристаллов и параметром FoM, намного превышающим данный показатель полевых транзисторов 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 коммерчески доступными 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 проводимости.

Что касается подтверждения надежности нитрид-галлиевых транзисторов, здесь ситуация пока остается сложной. Методология оценки качества кремниевых полупроводниковых приборов полностью доказала свою эффективность, поскольку нам уже доступны данные по отказам нескольких поколений таких приборов, которые были получены в течение их срока службы в реальных условиях. Однако нитрид-галлиевые транзисторы — это сравнительно недавняя разработка, и реальные статистические данные по 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 на значительно более высоких напряжениях сток-исток. Еще одно отличие заключается в том, что 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 настоящей обзорной статьи. По данной проблеме, например, можно ознакомиться с методикой, предложенной компанией Texas Instruments [10].

 

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

Серия GAM-адаптеров компании Freebird — это модульные строительные блоки, содержащие высоконадежные полевые малосигнальные eGaN-транзисторы, сконфигурированные как драйверы затворов высокоскоростных ключей, а также силовых eGaN в преобразователях мощности. Эти устройства типа GaN-Driving-GaN поставляются в корпусах для поверхностного монтажа с габаритными размерами в диапазоне от 0,75×0,38×0,125 дюйма для драйвера одного затвора до 1×0,75×0,125 дюйма 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. 6 [6].

Блок-схема многофункционального модуля FBS-GAM02 10 A/50 В

Рис. 6. Блок-схема многофункционального модуля FBS-GAM02 10 A/50 В

Модуль FBS-GAM02 полностью реализован на устройствах технологии eGaN, за исключением диодов, конденсаторов и резисторов. Внутри модуля не используются кремниевые ключи и коммутаторы или монолитные интегральные схемы, что исключает нанесение ущерба от излучения с низкой мощностью дозы как самому модулю, так и выполненному на его основе конечному устройству, а также устраняет ряд других негативных эффектов, характерных для аппаратуры, работающей в условиях космоса.

Все устройства FBS-GAM0X содержат протестированную 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: прямоходовой и обратноходовой DC/DC-преобразователи, полный мост, понижающий и повышающий DC/DC-преобразователи, повышающе-понижающий DC/DC-преобразователь по топологии Вайнберга [1], DC/DC-преобразователь Чука, а также неизолированные, изолированные на первичной стороне или изолированные на вторичной стороне DC/DC-преобразователи.

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

Сегодняшнее космическое оборудование работает в основном на цифровом принципе управления с широким использованием электронных интегральных схем. Каждая вентильная логическая матрица, конфигурируемая пользователем, — FPGA (ПЛИС), каждая заказная, специализированная интегральная схема — ASIC, каждый процессор, используемый сегодня, по сути, являются цифровыми. Таким образом, мы можем рассматривать приборы на основе eGaN как внешнее силовое транзисторное устройство, управляемое от логического уровня +5 В, то есть с цифровым управлением.

Несмотря на то, что космическая техника — это некий остров осторожности и крайней подозрительности к новым технологиям, производителей конечного оборудования, работающих в этой сфере, как говорится, на мякине не проведешь — устройства eGaN уже доказали надежность технологии именно для космоса и постепенно рассматриваются и находят все более широкое применение. Например, компания Freebird в качестве базового уровня для квалификации стандартных устройств космического уровня для своей дискретной технологии eGaN использует спецификацию MIL-PRF-19500 [7]. Данная спецификация устанавливает общие требования к характеристикам полупровод­никовых приборов и имеет долгую историю в отрасли высоконадежных технологий для обеспечения эффективного экранирования и соответствия требованиям для кремниевых полупроводниковых транзисторов, включая МОП-транзисторы и IGBT.

В качестве свидетельства усилий в области высоконадежной радиотехнической космической электроники Freebird предлагает свои HEMT- и модульные устройства технологии eGaN, которые в настоящее время успешно летают в космосе, накопив ценную историю эксплуатации этой технологии. Коммерчески доступные космические продукты компании Freebird сегодня предлагаются в уникальном запатентованном корпусе, залитом эпоксидной смолой, в частности GAM-модуль нитрид-галлиевого адаптера, приведенный на рис. 7.

Многофункциональный модуль FBS-GAM02 10 A/50 В (слева) и eGaN HEMT драйвер затвора FBS-GAM01-PSE (справа) по сравнению с монетой в один дайм (10 центов США) диаметр 17,91 мм

Рис. 7. Многофункциональный модуль FBS-GAM02 10 A/50 В (слева) и eGaN HEMT драйвер затвора FBS-GAM01-PSE (справа) по сравнению с монетой в один дайм (10 центов США) диаметр 17,91 мм

Многие источники питания, используемые в космических приложениях, по ряду соображений, чье обсуждение не входит в задачи настоящей статьи, используют жесткий режим переключения. Такое переключение, как известно, имеет недостатки, крупнейшим из которых является наличие потерь на переключение, растущих с увеличением частоты. Однако для достижения требуемой эффективности системы в целом преобразователи мощности, использующие аппаратное переключение, должны сбалансировать стремление к более высоким частотам переключения с необходимостью приемлемых потерь в системе. Повышение эффективности достигается за счет уменьшения числа циклов переключения силовых транзисторов и, следовательно, совокупных потерь на переключение, а недостаток этого подхода состоит в том, что разработчики должны увеличить размер других компонентов в системе — в первую очередь индуктивных и конденсаторов фильтров, необходимых для удержания питания в течение более длительного времени между более длительным циклом переключения транзистора.

Самые «медленные» коммерчески доступные космические многофункциональные модули eGaN компании Freebird, благодаря независимым драйверам, способным разгоняться до 3 МГц и выше, могут 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 преобразования мощности с гарантированной радиационной стойкостью разрабатываются такими игроками космического рынка, как группа SET (SET Group), сотрудничающая с NASA, чьим партнером-основателем стал доктор Рауль Чинга Альварадо (Dr. Raul Chinga Alvarado). Группа SET специализируется на проектировании и разработке силовых преобразователей высокой плотности, используя самые современные технологии. По состоянию на 2019 год группа достигла удельной мощности модуля 15–20 кВт/кг.

В 2017 году группа SET начала работу с NASA над проектированием, изготовлением и демонстрацией готового образца мощного высокочастотного широкодиапазонного резонансного LLC-преобразователя (LLC — читается как «индуктивность-индуктивность-емкость») на основе полупроводниковых приборов технологии нитрида галлия, способного функционировать на большой мощности и высоких частотах преобразования энергии [8]. Созданный группой LLC-преобразователь работает при входном напряжении 95–150 В и может выдавать напряжение 600 В — 1,8 кВ. В нем используются GaN HEMT-транзисторы от Freebird (номинальная устойчивость до 300 крад) и новое решение теплоотвода на базе конструкции, выполненной по аддитивной технологии, то есть методом 3D-печати. На рис. 8 в качестве примера показаны графики КПД и топология разработанного группой SET резонансного LLC-преобразователя.

1-кВт LLC-преобразователь разработки группы SET на силовых нитрид-галлиевых транзисторах

Рис. 8. 1-кВт LLC-преобразователь разработки группы SET
на силовых нитрид-галлиевых транзисторах:
а) зависимость КПД от мощности;
б) общая топология.

Топология LLC обеспечивает высокую эффективность, а также дает преимущество за счет широкого диапазона входного напряжения. С помощью нитрид-галлиевых транзисторов компании Freebird и SET NASA успешно разработали еще один LLC-преобразователь мощностью 1,25 кВт в форм-факторе половинного кирпича (2,4×2,3×0,5 дюйма) с входным напряжением 70–150 В и выходным напряжением 200–600 В. В настоящее время группа SET продолжает расширять границы возможного применения топологий DC/DC-преобразования энергии, используя «космические» нитрид-галлиевые приборы от Freebird для новых систем и модернизации уже существующих космических приложений.

 

Настоящее и будущее GaN в КА

Сегодня во всем мире существуют приложения и программы космического сообщества, такие как развивающиеся потребности в Интернете, которые используют большие группы спутников на низких орбитах. Airbus OneWeb — одна из этих программ с их 900 спутниками, и еще более амбициозная программа Илона Маска — Starlink, который на момент написания статья вывел на орбиту уже четыре партии спутников для раздачи Интернета по 60 аппаратов (пробный пуск был в мае 2019, последний 29 января 2020) и останавливаться на этом явно не собирается (одна из серийных сборок показана на рис. 9). Существуют космические планы и у компаний Maxar Technologies, Northrop Grumman, Honeywell и целого ряда других.

Серийная сборка из 60 спутников Starlink весом в 18,5 т компании SpaceX, выведенная на орбиту ее носителем Falcon 9 в январе 2020 года

Рис. 9. Серийная сборка из 60 спутников Starlink весом в 18,5 т компании SpaceX, выведенная на орбиту ее носителем Falcon 9 в январе 2020 года

Так, на одном из первых этапов лунной разведки Artemis («Артемида») в мае 2019 года NASA объявило о выборе компании Maxar Technologies для разработки и демонстрации систем питания, силовых установок и средств связи для лунной орбитальной платформы-шлюза Lunar Gateway NASA — это программа по созданию международной обитаемой окололунной станции, предназначенной на первом этапе для изучения Луны и дальнего космоса, а впоследствии и станции пересадки для космонавтов, направляющихся на Марс и обратно. Northrop Grumman также вошла в список компаний, отобранных NASA для разработки и производства прототипов космических аппаратов для высадки на Луну в рамках новой американской лунной программы Artemis. Кроме того, компания уж имеет корабль снабжения Cygnus, а также разработала первый космический заправщик, уже выведенный на орбиту советско-российским «Протоном». Не менее интересно больше узнать о секретном космическом самолете ВВС США Orbital Test Vehicle (OTV) Boeing X-37 (рис. 10) многократного использования, который недавно вернулся из очередного рекордного 780-суточного полета, но на то он и секретный, информация о нем доступна только в общих чертах [11].

Orbital Test Vehicle (OTV) Boeing X-37

Рис. 10. Orbital Test Vehicle (OTV) Boeing X-37

Однако у активных на космическом рынке компаний, имеющих свои КА, есть и общая проблема — всем им необходима недорогая, с хорошими массогабаритными показателями система электропитания. В каждой спутниковой системе есть свой блок распределения мощности (Power Distribution Unit, PDU), производитель электроэнергии в виде солнечной панели, контроллеры электродвигателей и т. п., и все они требуют эффективной надежной доставки электроэнергии к нагрузкам. В настоящее время в этих спутниковых системах и практически по всем направлениям, начиная от первичных кондиционеров питания и PDU и заканчивая выходными каскадами передатчиков КА, используются именно приборы на основе GaN.

 

Заключение

Космос всегда был своеобразной ареной битвы новых технологий и демонстрации своих явных и приукрашенных достижений, а побеждает здесь тот, кто более амбициозен и целеустремлен. Пока одни живут прошлым, модернизируя советские системы 1960–70-х годов, другие идут вперед и живут будущим, достигая новых целей. Как-никак за окном уже XXI век, так что сколько ни тюнингуй старый добрый «Запорожец» (на нем же тоже можно ездить, не так ли?), но «Мерседес» из него все равно не получится, не говоря уже о Tesla.

Примером успешного космического бизнеса является компания SpaceX, основанная лишь в мае 2002 года и уже имеющая не только регулярно запускаемые носители семейства Falcon с многократно используемой первой ступенью (одна из них летала уже четыре раза), но и единственный на сегодня возвращаемый, также многократного использования, грузовик Dragon. Компания вошла в число игроков и пилотируемой космонавтики, успешно завершив испытания в январе 2020 года многоразового пилотируемого космического корабля Dragon 2 (также известного как Crew Dragon и Dragon V2), который уже слетал на МКС в тестовом режиме. Ну, конечно, можно обвинить Илона Маска в том, что он украл «русскую» идею возврата носителя с КА на платформу (еще и на воде) из советского фильма еще 1959 года «Небо зовет» [12], и на этом гордо успокоиться, мол, мы не лыком шиты. А на подходе еще и многоразовый пилотируемый транспортный космический корабль компании Boeing — CST-100 Starliner, который в декабре 2019 года, пусть и частично, но прошел тестирование (рис. 11).

Многоразовый пилотируемый космический корабль Dragon компании SpaceX и пилотируемый транспортный космический корабль компании CST-100 Starliner компании Boeing

Рис. 11. Многоразовый пилотируемый космический корабль Dragon компании SpaceX и пилотируемый транспортный космический корабль компании CST-100 Starliner компании Boeing

По факту Российская Федерация потеряла первенство по запускам (в 2019 году план выполнен на 45%, и виноват тут, конечно же, не «Роскосмос»), не имеет ни одного действующего космического аппарата в дальнем космосе. У нее отсутствует полностью независимый доступ в космос — несмотря на уже построенный стартовый комплекс для ракет «Союз» на космодроме Восточный, запуски пилотируемых кораблей можно проводить только с космодрома Байконур на территории Казахстана. Многоразовый «Клипер» — в музее в виде полноразмерного макета, КА «Федерация» («Орел») — пока в проектах с определением «должен», и на Луну он уже не попадет, поскольку оказался перетяжеленным на 2,3 т, не лучше судьба и носителей «Ангара».

Мир меняется, так что мультики про маневрирующий в атмосфере на скорости 27 Махов боевой комплекс «Авангард» или блоки МКБР «Сармат», летящие в презентации В. Путина почему-то на мыс Канаверал, США, с перспективой попасть кому-то в рай, а кому-то «просто сдохнуть» (велика ли разница?) [14], впечатляют куда меньше, чем реально запланированный полет на Европу (спутник Юпитера) по программе Europa Clipper (первоначально «Роскосмос» участвовал в проекте), чтобы заглянуть в поисках жизни под его, покрытый льдом, океан, марсианские (пусть пока и не для посадки яблонь, как пелось в одной популярной в СССР песне 60-х) [13], астероидные программы или погружение в атмосферу Солнца зонда Parker Solar Probe, уже принесшее первые результаты.

Сегодня эта отрасль уже стала коммерческой, она начала жить по законам рынка. И для того чтобы быть конкурентоспособными по стоимости вывода полезной нагрузки на орбиту ракет-носителей, например Delta или Atlas, с носителем такого игрока, как компания SpaceX, уже имеющая тяжелый носитель с повторным использованием ускорителей и первой ступени и, соответственно, сниженной за этот счет стоимостью, затраты на запуск также должны быть уменьшены. Для Delta и Atlas примерно с $250 млн до $200 млн на запуск. Кроме того, в спутниковой индустрии стоимость КА может варьироваться от $500 млн до $1 млрд, и здесь конкуренция еще больше, так что, если вы хотите оставаться в игре, то и расходы также должны быть снижены. Часть необходимой экономии может дать перевод систем питания на более совершенную топологию и современную элементную базу, о чем было сказано в данной статье.

В этом направлении именно технология изготовления полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия дает много существенных преимуществ по сравнению с традиционной кремниевой — и она уже сейчас уверенно шагает в космос, став незаменимой при разработке высокоэффективных систем питания КА и не только.

Перепечатка материала выполнена с разрешения издательства Power Systems Design (www.powersystemsdesign.com).

Литература
  1. Рентюк В. Системы питания и перспективы использования GaN в космических аппаратах. Часть 1: питание КА, общие принципы // Силовая электроника. 2019. № 6.
  2. Taranovich S. GaN in Space
  3. Gietl E. B., Gholdston E. W., Manners B. A. and Delventhal R. ex A. The Electric Power System of the International Space Station: A Platform for Power Technology Development. June 2000. 
  4. Freebird Semiconductor: (r)evolutionary High-Reliability GaN Technology
  5. epc-co.com/epc
  6. FBS-GAM02-P-C50 50V/10A Rad Tolerant Multifunction Power Module Vehicle
  7. MIL-PRF-19500 Defense Logistics Agency, Semiconductor Devices, General Specification for (w/Amendment 4) FSC: 5961
  8. GaN-based High Power High Frequency Wide Range LLC Resonant Converter, Phase I
  9. Бернард К. (Kiran Bernard). Преимущества использования полевых GaN-транзисторов в непилотируемых космических аппаратах // Вестник электроники. 2018. № 2.
  10. Бахл С. Р. (Sandeep R. Bahl). Комплексная методология определения надежности нитрид-галлиевых транзисторов // Силовая электроника. 2017. № 5.
  11. Agamoni G. What is Boeing X-37B? The secret US Air Force plane that spent over 700 days in space. International Business Times
  12. Небо зовет. СССР. 1959 год. 
  13. youtube.com/watch?v=v3ckXAuih6s
  14. Русский удар: Путин показал новейшие ракеты

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *