Los sistemas electrónicos se ven expuestos a muchos peligros en el espacio, entre ellos el constante bombardeo de la radiación de ondas y partículas. Los dispositivos semiconductores son especialmente vulnerables a la radiación de partículas, que pueden provocar trastornos y graves averías.
No todas las aplicaciones espaciales exigen el mismo nivel de protección frente a la radiación. Por ejemplo, las aplicaciones en el espacio exterior utilizan caros componentes resistentes a la radiación. En cambio, otras aplicaciones espaciales, como los satélites LEO (low earth orbit) y MEO (medium earth orbit), solo necesitan unos componentes y una circuitería que sean “tolerantes a la radiación”.

Efectos de la radiación de ondas y partículas
Como muestra la Figura 1, la radiación de ondas y la exposición a partículas están relacionadas, pero los efectos sobre el sistema son diferentes. Las partículas tienen poca masa, pero se pueden acelerar a velocidades muy elevadas. También pueden transportar cargas, generalmente positivas cuando los electrones con carga negativa se extraen de las órbitas atómicas.
La radiación de partículas puede provocar daños físicos, especialmente a las estructuras de cristal en semiconductores, y este daño es permanente y/o acumulativo. Los sistemas también sufren trastornos temporales cuando los electrones alcanzan regiones de agotamiento y forman una conducción en una región no conductora. Además, si los iones positivos sustituyen a los átomos de dopado en una matriz de cristal el resultado puede ser un daño permanente: hacer que un semiconductor conduzca cuando no debería hacerlo genera un daño permanente debido al mal funcionamiento del circuito.
Muchos daños provocados por la radiación son acumulativos, por lo que la duración de la misión es un factor ineludible.

Figura 1: Espectro de radiación.

Consejos prácticos para construir una electrónica de potencia robusta y tolerante a la radiación
En un entorno tan dinámico como el actual mercado espacial, los costes de lanzamiento y sustitución de satélites averiados son considerables, de ahí que sea importante diseñarlos de manera cuidadosa.
• Es preciso seleccionar componentes que toleren la radiación. Algunos nodos de proceso de semiconductores han mejorado su rendimiento frente a la radiación. Se pueden seleccionar semiconductores bipolares cuyos valores nominales asuman daños por desplazamiento. Los FET de banda prohibida ancha (GaN) tienen tolerancia inherente a la radiación. Algunas resinas epoxy y algunos condensadores electrolíticos de aluminio liberan gases en el vacío, por lo que son inapropiados para entornos espaciales.
• Se deben inspeccionar muestras de los lotes de productos con el fin de tener en cuenta las variaciones del rendimiento frente a la radiación entre diferentes lotes.
• Se pueden implementar sistemas a varios niveles. La redundancia física es una salvaguarda. Si uno falla, otra puede tomar el relevo. En algunos sistemas hay tres sistemas que funcionan en paralelo. Si uno difiere de los otros dos, su salida puede ser ignorada.
• Los MOSFET de potencia se pueden desclasificar de modo que, tras la degradación inevitable del umbral de VGS, el dispositivo siga siendo funcional al finalizar la vida de la misión.
• El blindaje puede proteger la electrónica sensible, pero si la energía de la partícula es suficientemente alta, las cascadas de partículas pueden agravar el problema.
• Se puede añadir circuitería para monitorizar el rendimiento, desconectar y reiniciar los sistemas inconsistentes cuando el fallo es recuperable.
Con independencia de las estrategias de diseño y de las topologías de la fuente de alimentación, los sistemas electrónicos para aplicaciones espaciales se deben analizar, simular y comprobar de forma rigurosa con el fin de determinar su rendimiento frente al entorno y la radiación.

Las topologías innovadoras y los modos de conmutación ofrecen una ventaja competitiva
Las topologías de conmutación suave (en lugar de los convertidores de potencia de conmutación dura) pueden lograr que un sistema sea menos sensible a efectos parásitos como las oscilaciones, que aumentan el estrés provocado por la tensión en los componentes de conmutación.
Entre los factores que sirven para evaluar una topología se encuentran la densidad de potencia, la eficiencia, la respuesta ante transitorios, el rizado de salida, las emisiones de interferencias electromagnéticas (EMI) y el coste.
Las pérdidas por conmutación se producen durante la conexión y desconexión de los MOSFET de una etapa de potencia dependiendo de los requisitos de carga de la puerta y de la capacidad entre drenador y fuente. Las pérdidas por conmutación aumentan, y por tanto limitan, la frecuencia de conmutación. Las pérdidas por conducción en la estructura del diodo restan aún más eficiencia a la conversión de potencia en los convertidores de conmutación dura. Si bien los FET de GaN no incorporan un diodo estructural, sí tienen bloqueo por conducción inversa a varios voltios. Esto hace que el período de conducción en tiempo muerto del GaN sea muy difícil de gestionar.
En una topología reductora (buck) síncrona de conmutación dura, el FET del lado de alto potencial se activa cuando le atraviesa la tensión máxima y conduce su corriente máxima durante la parte activa del ciclo de funcionamiento (ver Figura 2, izquierda). Cuanto mayor es la tensión de entrada, más aumentan las pérdidas de potencia, por lo que los convertidores en aplicaciones con una mayor diferencia de tensión (p.ej., 28V a 3,3V) ofrecen una eficiencia más baja que los convertidores con una menor diferencia (p.ej., 5V a 2,5V).

Figura 2: Efectos parásitos en la topología. Convertidor reductor convencional de conmutación dura (izq.) y convertidor reductor de conmutación a tensión cero o ZVS (dcha.).

Ventajas de la conmutación suave
La conmutación suave reduce las pérdidas en conmutación. Un ejemplo de conmutación suave es la técnica de conmutación a tensión cero (zero-voltage switching, ZVS), que mejora la eficiencia de la conversión con diversas topologías. ZVS conmuta el FET en el lado de alto potencial para que conduzca cuando la tensión en el interruptor se acerca o es igual a cero (ver Figura 2, derecha).
El funcionamiento de un interruptor de bloqueo con la técnica ZVS permite que el convertidor almacene una pequeña cantidad de energía en el inductor de salida cuando los interruptores en el lado de alto y bajo potencial están desconectados. El convertidor utiliza esta energía, que de otra manera se desperdiciaría, para descargar la capacidad de salida del FET en el lado de alto potencial y cargar las señales parásitas de salida del FET síncrono.
Al eliminar la capacidad de salida del FET en la conexión del interruptor se desensibiliza la selección del FET por lo que respecta a Cgd, permitiendo así que los diseñadores se centren en la resistencia del canal en conducción en lugar de factores de mérito tradicionales como el producto de la resistencia del canal por la capacidad de la puerta.
Este método de controlar el FET del lado de alto potencial durante el paso a conducción no excita la inductancia y la capacidad parásitas, que tienden a resonar provocando grandes picos y oscilaciones de tensión en las topologías de conmutación dura (ver Figura 3a). Al eliminar los picos y reducir las oscilaciones (ver Figura 3b), ZVS suprime las pérdidas de potencia y una fuente de emisión de EMI.
Eliminar los picos de tensión en la conmutación también permite a los diseñadores seleccionar FET de menor tensión con una RDSON más baja para mejorar la eficiencia.

Figura 3: Formas de onda de conmutación dura y conmutación suave.

Vicor emplea técnicas de conmutación suave en sus soluciones modulares de potencia tolerantes a la radiación para alimentar ASIC de comunicaciones de alto rendimiento (ver Figura 4) especialmente destinados a aplicaciones en satélites MEO y LEO. Los módulos del sistema utilizan una topología reductora-elevadora ZVS en el PRM™ y los convertidores SAC™ (Sine Amplitude Converters) ZVS y ZCS para el BCM® y el VTM™.
El pequeño tamaño del VTM permite colocarlo lo más cerca posible del ASIC. La optimización de la red de alimentación distribuida (power distribution network, PDN) es primordial para manejar las altas corrientes consumidas por los modernos ASIC, FPGA, CPU y GPU. Los módulos de Vicor combinan soluciones de conmutación suave, componentes activos tolerantes a la radiación y componentes pasivos homologados para automoción.
Con el fin de mitigar este tipo de interrupciones del funcionamiento, todos los módulos tolerantes a la radiación incluyen etapas de potencia completamente redundantes en paralelo. Si una de ellas se ve afectada, sus circuitos de protección provocan una reinicialización con la alimentación desconectada. Durante el intervalo de reinicialización, la etapa de potencia redundante transporta toda la carga y tras la reinicialización ambas etapas de potencia vuelven a funcionar en paralelo.

Figura 4: Módulos de topología resonante (ZVS y ZCS) de alta potencia.

Entre otros muchos factores, la topología y el modo de conmutación que se seleccionen son factores importantes al diseñar convertidores de potencia para aplicaciones espaciales.
 
Acerca de los autores

Salah Ben Doua, Ingeniero Jefe de Aplicaciones, tiene 30 años de experiencia en el campo del diseño de potencia y lleva más de 20 años ofreciendo asistencia a los clientes de Vicor, proporcionándoles conocimientos y consejos para el desarrollo de sistemas de alimentación CC/CC y CA/CC en numerosas áreas, como aeroespacial y defensa, industria, ferrocarril, iluminación y comunicaciones. Salah obtuvo un doctorado en conversión de potencia en el Instituto Politécnico Nacional de Toulouse.

Ken Coffman, Ingeniero Sénior de Aplicaciones de Campo, está asignado a la New Space Initiative de Vicor. Reside en Phoenix (Arizona, EE.UU.). Puede contactar con él AQUÍ