GaN-транзисторы в космических LDO: как обеспечить стабильность линейного питания под воздействием радиации

Системы электропитания космических аппаратов должны сохранять заданные характеристики на протяжении длительного времени, несмотря на воздействие ионизирующего излучения. Особенно высокие требования предъявляются к линейным стабилизаторам напряжения LDO (Low Dropout Regulator), которые обеспечивают малошумящее питание чувствительных аналоговых и радиочастотных узлов. В отличие от импульсных преобразователей, линейные регуляторы не создают собственных высокочастотных помех переключения, однако их характеристики во многом зависят от стабильности проходного транзистора.

В традиционных решениях эту функцию обычно выполняют кремниевые MOSFET. Один из механизмов их радиационной деградации связан с воздействием ионизирующего излучения на подзатворный диэлектрик. В нём могут возникать захваченные носители заряда, вызывающие смещение порогового напряжения и изменение крутизны характеристики передачи (транскондуктивности, gm). По данным EPC Space, в определённых условиях деградация gm кремниевых приборов может превышать 20%. Изменение параметров проходного транзистора влияет на работу аналогового контура обратной связи и усложняет обеспечение стабильности выходного напряжения в течение срока эксплуатации.

В качестве альтернативы компания предлагает использовать транзисторы с высокой подвижностью электронов eGaN HEMT на основе гетероструктуры AlGaN/GaN. В таких приборах канал проводимости формируется в области гетероперехода, а конструкция не содержит традиционного подзатворного оксида, характерного для кремниевых MOSFET. Это позволяет существенно снизить влияние одного из основных механизмов радиационной деградации — накопления заряда в диэлектрике затвора.

Радиационная стойкость GaN и особенности управления

Согласно данным EPC Space, испытания транзисторов eGaN показали высокую стабильность электрических характеристик при воздействии гамма-излучения. В частности, представители 100-вольтового семейства приборов компании подвергались облучению с суммарной дозой до 500 крад (Si). В ходе испытаний контролировались токи утечки сток–исток и затвор–исток, пороговое напряжение и сопротивление открытого канала. Существенных изменений этих параметров не обнаружено.

В материалах компании также приводится оценка изменения крутизны характеристики передачи: для eGaN HEMT оно составляет менее 3% при воздействии малых доз ионизирующего излучения. Эти показатели характеризуют разные параметры и режимы испытаний, поэтому их не следует интерпретировать как универсальную гарантию сохранения всех характеристик любого GaN-транзистора при дозе 500 крад.

Применение eGaN HEMT в линейных регуляторах, однако, требует учёта особенностей этих приборов. Они имеют N-канальную структуру, поэтому для работы в качестве проходного элемента необходимо обеспечить соответствующее напряжение затвора. Оно должно превышать сумму выходного напряжения и требуемого напряжения затвор–исток при максимальном токе нагрузки:

V_bias ​> V_out ​+ V_gs ​(I_d(max)​)

Стабильность порогового напряжения и характеристик GaN-транзистора позволяет точнее определить необходимый уровень смещения затвора и уменьшить запас, который в традиционных решениях приходится закладывать с учётом возможного радиационного дрейфа параметров. Это упрощает проектирование цепей управления и позволяет снизить избыточное напряжение на каскаде усилителя ошибки.

При этом высокая крутизна характеристики eGaN HEMT предъявляет повышенные требования к монтажу. Паразитные индуктивности в цепи затвора в сочетании с ёмкостями транзистора могут вызывать высокочастотные колебания. Поэтому необходимо минимизировать длину соединений, площадь токовых контуров и паразитные параметры печатной платы.

Демонстрационные платы EPC7C023 и EPC7C024

Для исследования возможностей GaN-транзисторов в линейных стабилизаторах EPC Space разработала две демонстрационные платы:

• EPC7C023 — линейный регулятор с проходным транзистором EPC7019G, рассчитанный на выходной ток до 5 А. Максимальное входное напряжение — 40 В.
• EPC7C024 — вариант с транзистором EPC7014UB, рассчитанный на выходной ток до 0,5 А. Максимальное входное напряжение — 50 В.

Обе платы могут быть сконфигурированы для работы как обычные линейные регуляторы или как стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO). Они предназначены прежде всего для макетирования и исследования различных вариантов построения контура регулирования, а не являются готовыми интегральными стабилизаторами.

EPC Space+1

В качестве контроллера в демонстрационной схеме используется TL1431 — регулируемый шунтирующий стабилизатор с усилителем ошибки и встроенным источником опорного напряжения. Такая конфигурация позволяет исследовать работу проходного GaN-транзистора в составе аналогового контура обратной связи.

Различие между двумя платами определяется прежде всего типоразмером и характеристиками силового транзистора. В EPC7C023 применяется EPC7019G, рассчитанный на существенно большие токи, тогда как в EPC7C024 используется EPC7014UB для менее мощной нагрузки.

Выходное напряжение задаётся резистивным делителем, то есть для изменения установленного уровня достаточно изменить номинал одного из резисторов. На платах предусмотрены отдельные выводы питания и измерительные контакты для контроля тока нагрузки. Для измерения используется низкоомный резистор: 10 мОм в EPC7C023 и 50 мОм в EPC7C024. Его подключение по четырёхпроводной схеме Кельвина позволяет точнее измерять падение напряжения и исключать влияние сопротивления силовых соединений на результат.

Тепловой режим и компоновка

Одна из особенностей линейных регуляторов — непрерывное рассеивание мощности на проходном транзисторе. В первом приближении тепловые потери определяются разностью входного и выходного напряжений и током нагрузки:

P_D ​= (V_in ​− V_out​)⋅I_out

​При больших токах это может приводить к значительному локальному нагреву, поэтому тепловая конструкция платы становится не менее важной, чем электрическая схема.

В версии EPC7C023 для отвода тепла используются дополнительные плоские элементы ThermaWick из нитрида алюминия (AlN), которые обеспечивают передачу теплового потока от силовой области к медным слоям печатной платы. На плате установлены четыре таких элемента. В маломощной EPC7C024 они не требуются.

Отдельное внимание уделено паразитным параметрам соединений. Для снижения индуктивности и сопротивления силовых цепей рекомендуется использовать короткие и широкие проводники, минимизировать площадь токовых контуров и располагать элементы управления как можно ближе к проходному транзистору. Особенно критична компоновка цепи затвора: её паразитная индуктивность может взаимодействовать с входными ёмкостями транзистора и провоцировать высокочастотные колебания.

Моделирование и проверка переходных процессов

Перед изготовлением демонстрационных плат EPC Space провела моделирование контура регулирования в LTspice. В качестве основы использовалась схема с контроллером TL1431 и сравнительно простой RC-цепью коррекции. Такой подход позволял оценить работу проходного eGaN HEMT и влияние параметров схемы на переходные процессы.

Для проверки устойчивости авторы использовали реакцию на скачкообразное изменение тока нагрузки. При этом основной акцент был сделан на временных характеристиках — амплитуде отклонения выходного напряжения и времени восстановления после изменения нагрузки.

В испытаниях платы продемонстрировали следующие результаты:

По данным EPC Space, после скачкообразного изменения нагрузки обе схемы восстанавливали выходное напряжение без наблюдаемых колебаний контура регулирования. Это подтверждает работоспособность выбранных схемных и конструктивных решений в исследованных режимах. Вместе с тем временная проверка переходной характеристики не заменяет полного анализа устойчивости по частотным характеристикам — в частности, определения запаса по фазе и амплитуде во всём диапазоне рабочих условий.

Перспективы применения в космической аппаратуре

Результаты EPC Space показывают, что GaN-транзисторы могут применяться не только в импульсных преобразователях, для которых они получили широкое распространение, но и в линейных стабилизаторах напряжения. Высокая устойчивость eGaN HEMT к воздействию накопленной дозы позволяет уменьшить неопределённость параметров проходного элемента и упростить проектирование аналоговых контуров регулирования.

Для космической аппаратуры это особенно важно при построении малошумящих источников питания радиочастотных трактов, усилителей, генераторов и чувствительных измерительных узлов. В таких приложениях отсутствие высокочастотных переключений может быть не менее значимым преимуществом, чем высокая радиационная стойкость силовых компонентов.

Однако испытания на стойкость к суммарной ионизирующей дозе не означают автоматической квалификации прибора для любых условий космического полёта. Отдельной оценки требуют эффекты одиночных радиационных событий, влияние температуры, долговременная надёжность и поведение устройства в конкретной электрической и тепловой конфигурации. Кроме того, линейный стабилизатор по своей природе рассеивает разность входной и выходной мощностей, поэтому применение GaN само по себе не устраняет ограничений по КПД и тепловыделению.

Тем не менее переход от кремниевых MOSFET к eGaN HEMT в линейных регуляторах открывает интересное направление развития бортовых систем электропитания. Если дальнейшие испытания подтвердят стабильность характеристик в полном диапазоне радиационных, температурных и нагрузочных условий, GaN может стать основой для создания более компактных и предсказуемых малошумящих источников питания космического класса.

Источник: https://epc.space/