TI, Renesas, EPC и Infineon создают экосистему GaN, ориентированную на энергосистемы малых спутников с радиационно-стойкими устройствами.
Как уже говорилось ранее, блок кондиционирования и распределения электроэнергии (PCDU) является важнейшей подсистемой спутниковой системы электроснабжения (EPS). Мощность этого блока строго зависит от класса спутника и его применения.
В то время как первые развернутые спутники CubeSats потребляли всего несколько десятков ватт, сегодняшние коммерческие и правительственные миссии требуют затрат энергии до 1 кВт и выше. Например, ICEYE, группа микроспутников, предоставляющих изображения Земли (рис. 1) государственным и коммерческим пользователям, оснащена радиолокаторами X-диапазона с пиковой радиочастотной мощностью 4 кВт.
Такие устройства, как STARBUCK-MINI PCDU, рассчитаны на использование солнечной энергии мощностью до 2,5 кВт. Они справляются с различными задачами, включая зарядку аккумулятора, переключение нагрузки по различным линиям напряжения, обнаружение неисправностей и изоляцию, и все это в пределах массы и объема, которые предлагает спутник Smallsat.
Достичь такого уровня удельной мощности при соблюдении требований к малым размерам и весу спутников этого класса очень сложно. Силовые преобразователи на основе кремния, устойчивые к радиационному излучению, первоначально разработанные для крупных космических аппаратов GEO, слишком велики, тяжелы и дороги, если речь идет о сотнях или тысячах спутников.
Появление GaN
Нитрид галлия (GaN) – полупроводник с широкой запрещенной зоной, который может устранить это несоответствие. Свойства материала GaN, такие как низкое сопротивление включению, высокая скорость переключения и присущая ему устойчивость к воздействию суммарной дозы ионизации (TID), делают его хорошо подходящим для преобразования энергии с высокой плотностью в радиационных средах.
В исследовании, представленном в 2018 году учеными из Университета Питтсбурга, был проведен анализ и количественная оценка использования GaN в системах питания малых спутников. В рамках этой работы исследователи спроектировали, изготовили и протестировали три радиационно-устойчивых преобразователя с точечной нагрузкой (PoL), использующих переключатели транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе GaN, работающие на частоте 2 МГц.
По сравнению с традиционными преобразователями на основе кремния, устойчивыми к радиационному излучению, эти преобразователи PoL на основе GaN потребляли на 84% меньше массы, на 79% меньше объема и снижали стоимость компонентов на 83% при сохранении КПД при полной нагрузке на уровне 96%.
Впоследствии преобразователи были запущены в качестве вспомогательного эксперимента на Международной космической станции (МКС) в рамках миссии STP-H6, что позволило провести проверку конструкции на орбите. Более высокая эффективность по сравнению с кремниевыми преобразователями, устойчивыми к радиационному излучению, составила примерно 20%. Это улучшение напрямую выражается в снижении тепловыделения и уменьшении размера аппаратных средств для управления температурой.
Причина, по которой преобразователи на основе GaN могут работать намного эффективнее при высоких частотах переключения, кроется в физике устройства. Структура металлического затвора Шоттки, используемая в большинстве GaN-транзисторов, устраняет оксидный слой затвора, который накапливает заряд под действием ионизирующего излучения, устраняя основной механизм деградации TID, наблюдаемый в стандартных кремниевых МОП-транзисторах.
Меньший объем области истощения снижает восприимчивость к эффектам единичных событий (SEE), а более широкая запрещенная зона повышает порог ионизации для поступающих частиц. Это означает, что GaN-транзисторы могут обеспечить достаточную радиационную стойкость без специальных герметичных керамических корпусов, которые делают традиционные радиационно-стойкие компоненты такими большими и дорогими.
Помимо GaN-транзисторов, для реализации подсистемы преобразования энергии космического класса требуются и другие компоненты. К ним относятся микросхемы управления затворами, ШИМ-контроллеры и различные пассивные компоненты. Все они должны быть адаптированы к радиационной среде и совместимы с GaN. Именно здесь формируется экосистема, и несколько производителей полупроводников выводят на рынок устройства поддержки GaN, предназначенные специально для систем электроснабжения малых спутников.
Экосистема GaN
TI
В 2025 году компания Texas Instruments анонсировала семейство радиационно-стойких GaN-транзисторных вентилей для спутниковых энергетических систем (см. рис. 2). Устройства могут использоваться для различных топологий, включая синхронный понижающий ток, обратный ход и полный мост, и могут работать от 22 В до 200 В.
Это очень важное значение. Привод затвора напряжением 200 В предназначен для работы с двигательными установками и преобразования входной мощности от солнечных батарей, в то время как версии напряжением 60 В и 22 В служат для распределения мощности и преобразования точки нагрузки по всему спутнику.
Новая серия TPS7H60x5 имеет 56-контактный пластиковый корпус HTSSOP и выпускается как из радиационно-стойкого пластика QMLP, так и из радиационно-стойкого пластика с увеличенным пространством (SEP), при этом устройства QMLP рассчитаны на TID до 100 крад (Si) и не пропускают свет вплоть до линейной передачи энергии (LET) 75 МэВ•см2/мг. Новые драйверы поддерживают высокие частоты переключения, что позволяет использовать пассивные компоненты меньшего размера и с более высокой плотностью мощности.
Что касается контроллеров и драйверов, корпорация Renesas Electronics представила ШИМ-контроллер ISL71043M с несимметричным режимом работы по току и драйвер полевого транзистора ISL71040M с низким энергопотреблением. Устройства были анонсированы как первый в космической отрасли радиационно-стойкий ШИМ-контроллер в пластиковой упаковке и драйвер полевого транзистора GaN для источников питания постоянного тока на малых спутниках и ракетах-носителях.
Эта пара продуктов хорошо подходит для экономики масштабных сетей спутников LEO. Датчики ISL71043M и ISL71040M прошли технические испытания при TID до 30 крад (Si) и на единичные воздействия при линейной передаче энергии 43 МэВ•см2/мг, работая в расширенном диапазоне температур от -55°C до +125°C.
Рабочую частоту переключения ШИМ-контроллера можно регулировать до 1 МГц, что позволяет использовать пассивные фильтрующие компоненты меньшего размера (большое преимущество для небольших спутников, где доступное пространство ограничено). Драйвер ISL71040M точно регулирует напряжение на затворе с точностью до +3/-5% в зависимости от температуры и радиационного воздействия и включает плавающую схему защиты для предотвращения непреднамеренных переключений.
Renesas
Эти два устройства могут быть объединены с полевыми транзисторами Renesas ISL73024SEH на 200 В или ISL73023SEH на 100 В и цифровым разъединителем с пассивным входом для реализации нескольких типов конфигураций силовых каскадов. Оба устройства предлагаются в пластиковой упаковке, что соответствует требованиям пятилетних программ полета, типичных для программ НАСА LEO constellation.
EPC Space, совместное предприятие Efficient Power Conversion и VPT Inc., предлагает широкий ассортимент GaN-транзисторов с улучшенным режимом работы и силовых каскадов, специально разработанных для космического рынка. Транзисторы компании eGaN выращиваются на кремниевых подложках с использованием технологии, которая позволяет снизить затраты по сравнению с традиционными процессами широкой запрещенной зоны, и в устройствах накоплены данные радиационных испытаний, охватывающие как TID, так и единичные эффекты.
EPC
Компания представила EPCS4001 (рис. 3), высокочастотный (3 МГц) стабилизирующий контроллер, защищенный от радиации, разработанный совместно с CERN и предназначенный для работы с семейством усилительных каскадов EPC на основе GaN с защитой от радиации. Помимо контроллера, компания EPC Space выпустила эталонный преобразователь напряжения EPCSC401 – понижающий преобразователь напряжения 50 В в 12 В, который демонстрирует все возможности EPCS4001 и EPC7011L7 в компактной, проверенной конфигурации.
EPCSC401 преобразует шину космического аппарата напряжением 20-50 В в регулируемый выходной сигнал напряжением 12 В мощностью до 5 А. Примечательно наследие ЦЕРН в области контроллеров ASIC: эта организация накопила обширный опыт оптимизации радиационно-стойкой логики управления приборами физики элементарных частиц, а компания EPC Space использовала этот опыт непосредственно в своем продукте для космической энергетики. Эта комбинация предназначена для работы в условиях очень высокой радиации (50 Мрад) и сильных магнитных полей (40 000 Гаусс), а проверенные данные о радиации охватывают сотни мегарад, что значительно превышает то, что накопила бы любая миссия LEO.
Infineon
На уровне устройств компания Infineon Technologies добилась значительных успехов на космическом рынке GaN. В мае 2025 года Infineon анонсировала первый из нового семейства GaN-транзисторов с радиационной стойкостью, изготовленных на собственном литейном заводе по технологии CoolGaN.
Благодаря этому компания стала первым производителем GaN-транзисторов, получившим сертификат высочайшего качества, присвоенный Управлением тыла Министерства обороны США для Единой спецификации для сухопутных войск и военно-морских сил (JANS) MIL-PRF-19500/794.
Сертификация JANS – это самый строгий квалификационный уровень, доступный для дискретных полупроводниковых устройств, предназначенных для космических полетов. Поскольку QML-класс радиационной стойкости V, который соответствует наивысшему сертификату космического класса для интегральных схем, требует тщательного отбора, приемочных испытаний партии и контроля со стороны управления качеством для обеспечения успеха миссии.
Первоначальными вариантами устройств являются транзисторы с высокой подвижностью электронов с повышающим напряжением 100 В и током 52 А, с типичным сопротивлением стока-истока 4 Мом и общим зарядом затвора 8,8 нМ. Первоначальные варианты включают устройства, экранированные до уровней TID 100 и 500 крад, а сертифицированная JANS часть экранирована до 500 крад. Infineon запланировала разработку дополнительных вариантов для расширения доступных параметров напряжения и тока.
Главным преимуществом здесь является глубина цепочки поставок. Сертифицированный JANS GaN-транзистор, полностью изготовленный в одной компании, представляет собой отслеживаемый и проверяемый путь от изготовления подложки до поставки детали, что требуется главным подрядчикам при выполнении важных задач.
Sandia National Labs
На уровне исследований материалов, представители Sandia National Labs) изучает полупроводники со сверхширокополосной изоляцией (СШПЗ) в качестве потенциального следующего шага в развитии существующей технологии GaN. Исследователи Sandia разработали материалы из нитрида алюминия-галлия со сверхширокополосной изоляцией и изготовили устройства, в том числе Al₀.₃Ga₀.₇N PiN- диод с напряжением пробоя выше 1600 В и AlN/ALGA₀N транзистор с высокой подвижностью электронов с напряжением пробоя выше 800 В.
Мотивация для перехода с GaN на СШПЗ-материалы на основе AlGaN и ALNN основана на масштабировании характеристик с использованием запрещенной зоны: переход с кремния на GaN улучшает однополярные характеристики примерно в 870 раз, а при переходе с GaN на AlN прогнозируется увеличение в 37 раз.
Что касается радиационной стойкости, то более широкая запрещенная зона еще больше повышает порог ионизации, а более высокие энергии смещения в нитридных материалах снижают уязвимость к повреждениям, вызванным смещением протонов и нейтронов. Исследователи Sandia отметили потенциал создания уникальных радиационно-стойких компонентов из материалов со сверхширокой запрещенной зоной с перспективой создания надежных производственных мощностей в партнерстве с их инженерным, научным и прикладным комплексом микросистем, хотя этот проект рассчитан на 5-10 лет.
Teledyne
Teledyne e2v HiRel разрабатывает радиационно-устойчивые решения для управления питанием для аэрокосмической, оборонной и орбитальной промышленности. Ключевым компонентом в этой линейке является TD99102 (рис. 4), высокоскоростной драйвер на полевых транзисторах UltraCMOS и GaN-транзисторах, выполненный в виде матрицы с откидной головкой, что позволяет свести к минимуму паразитную индуктивность и занимаемую площадь.
Работая на частотах переключения до 20 МГц со скоростью переключения менее наносекунды, он обеспечивает согласованную задержку распространения и регулировку времени простоя для оптимизации эффективности каскада питания. Устройство обеспечивает устойчивость к радиационному излучению TID до 100 крад (Si) и невосприимчиво к однократному включению (SEL), что делает его пригодным для спутниковых систем питания LEO, преобразователей постоянного тока в постоянный, электроприводов и модулей точечной нагрузки.
