Zwyczajne wymagania, niezwyczajne środowisko

Eksploracja przestrzeni kosmicznej wymaga przetwornic DC-DC o specjalnych możliwościach

Gdy w 2006 r. wystrzelony zostanie statek kosmiczny Dawn, zabierze on na ponad ośmioletnią misję w przestrzeń kosmiczną kilka specjalnych przetwornic DC-DC. Zgodnie z projektem NASA statek kosmiczny Dawn odbędzie podróż do dwóch najstarszych i największych asteroid naszego systemu słonecznego, Vesty i Ceres. Porównanie pomiarów uzyskanych z instrumentów na statku dostarczy informacji o powstawaniu i rozwoju wczesnego systemu słonecznego.

Po planowanym na czerwiec 2006 r. wystrzeleniu Dawn będzie potrzebował czterech lat, by dotrzeć na Vestę i czterech kolejnych lat, aby dostać się na Ceres. Przypuszcza się, że powierzchnie tych niewielkich planet okażą się bogatymi źródłami informacji z pierwszych 10 milionów lat istnienia naszego Układu Słonecznego, pozwalających na odtworzenie biegu zdarzeń od początku do chwili obecnej. Oprzyrządowanie statku kosmicznego zmierzy: masę, kształt, objętość oraz ruch wirowy asteroid. Dodatkowo zarejestruje też szczegółowo kompozycję pierwiastków i minerałów, jak również określi historię tektoniczną i termiczną, wartość pola magnetycznego i wielkość jądra. Ponieważ każda z asteroid jest całkowicie inna – jedna zimna i wilgotna, druga gorąca i sucha – porównanie pomiarów wewnętrznej struktury może dostarczyć innych wartościowych danych.

Nadzór nad projektem Dawn prowadzi laboratorium napędu odrzutowego NASA (Jet Propulsion Laboratory – JPL). Orbital Sciences zbuduje statek kosmiczny, ale JPL dostarczy silniki jonowe. Oba te zespoły wymagają kilku przetwornic DC-DC.

– Jeśli chodzi o nas, posiadamy sześć różnych przetwornic DC-DC w wielu wersjach, wykorzystywanych w statkach kosmicznych – mówi Bryan Rogers, wiceprzewodniczący działu sprzedaży w komórce organizacyjnej sektora niezawodnych produktów (Hi-Rel Products Sector Business Unit) firmy International Rectifier’s (IR). Przetwornice DC-DC napędzają różnorodne podsystemy elektryczne, korzystając z napięcia z magistrali 28 V, zasilającej systemy napędowe oraz załadunkowe statku kosmicznego. Zakres napięć wyjściowych wynosi: 3,3 V, 5 V, 12 V i 15 V, czyli są to zasadniczo standardowe napięcia wykorzystywane w elementach elektronicznych.

Dostępność z przetwornic zarówno napięć dodatnich, jak i ujemnych daje możliwość uzyskania również innych napięć. – Pozwalają one na złożenie razem napięć ±15 V, co daje 30 V na ogół wykorzystywane do napędzania silników – mówi Mike Shakar, regionalny kierownik sprzedaży w dziale wysoko niezawodnych produktów Hi-Rel w IR. JPL jest jednym z jego klientów. W każdym statku kosmicznym liczne silniki ustalają położenie anten lub przemieszczają czujniki albo przyrządy. Wyjście 3,3 V zasila cyfrowe urządzenia sterujące będące częścią układu sterowniczego satelity. Wyjście 5 V zasila czujniki i starsze specjalizowane układy scalone (ASIC), preferowane przez inżynierów ze względu na to, że wytwarzane są w technologii sprawdzonej w praktyce. W celu uzyskania wyższych napięć, takich jak w sterujących jonowych silnikach rakietowych, konieczne jest zwiększenie napięcia wyjściowego ±15 V do napięcia od 2000 V do 3000 V.

Trzy w jednym pakiecie

Niskonapięciowe przetwornice DC-DC posiadaję zwykle podwójne lub potrójne adresowane wyjścia napięciowe, ale równie dobrze sprawdzają się przetwornice z wyjściem pojedynczym. Na przykład jedną z przetwornic DC-DC na pokładzie Dawna jest produkowana przez IR potrójna przetwornica ART2815T, z serii zaprojektowanej z wykorzystaniem topologii jednotaktowych przetwornic przepustowych pracujących w trybie kluczowania. Jedną z korzyści tej topologii, w odpornej na promieniowanie konstrukcji, jest eliminacja możliwości jednoczesnego włączenia obu elementów przełączających podczas zakłóceń wywołanych promieniowaniem. W porównaniu z topologiami dwutaktowymi wersje jednotaktowe nie są narażone na problemy związane z nasyceniem transformatora.

W związku z długim czasem spędzonym w przestrzeni kosmicznej, wymagania dla przetwornic DC-DC dotyczące promieniowania wynoszą nie mniej niż 100 kiloradów. Kompromisem, na jaki trzeba pójść w przypadku zabezpieczania przed promieniowaniem takich produktów jak tranzystory dużej mocy MOSFET w przetwornicach, jest zwiększenie pojemności ładunku w bramce. W wyniku zmian dokonanych w celu spełnienia wymagań odpornościowych na promieniowanie obciążające bramkę, może wystąpić zwiększenie jej pojemności nawet o 20%. Zmiany dotyczą struktury, grubości oraz materiałów. Jednakże oporność w stanie załączenia w produktach odpornych na promieniowanie jest taka sama jak w produktach rynkowych, stwierdza Shakar. Ponieważ technologia stosowana w produktach rynkowych przeszła z planarnej do paskowej, urządzenia odporne na promieniowanie mają porównywalne osiągi, chociaż jeszcze nieprędko będą powszechnie dostępne.

Hermetycznie uszczelnione opakowanie przetwornic ma wieko zgrzane równoległym szwem oraz ceramiczne uszczelnienia wyprowadzeń z obudowy, zapewniające wytrzymałość na surowe warunki panujące w przestrzeni kosmicznej. Hybrydowe opakowania umożliwiają ograniczenie wymiarów urządzeń o 20 do 35% oraz zmniejszenie ich masy o 50% w stosunku do zasilaczy montowanych przez otwory lub powierzchniowo. – Hybrydyzacja przetwornic DC-DC rzeczywiście dobrze spełnia wymagania dotyczące tego programu oraz podobnych misji – zauważa Shakar.

Podobieństwa i różnice

Wszystkie jednotaktowe przetwornice przepustowe dostarczane przez IR dla projektu Dawn mają taką samą moc wyjściową – 30 W. Wykorzystują one magnetyczne sprzężenie zwrotne, co jest ważne, gdyż sprzężenia optyczne (transoptory) nie sprawdzają się zbyt dobrze w zastosowaniach kosmicznych. – Odkryliśmy, że przetwornice o małej mocy, mają ogromne zastosowanie w misjach naukowych, ponieważ zmniejszają ciężar wszystkich przyrządów, w których zostały użyte – mówi Rogers.

Statek kosmiczny i wszystkie jego przyrządy mogą być postrzegane jako struktura rozproszona, bardzo podobna do innych, lepiej znanych systemów rozproszonego zasilania. – W motoryzacji wytwarzamy energią zasilającą z alternatorów lub akumulatorów, a w statkach kosmicznych uzyskujemy ją albo z akumulatorów, albo z paneli słonecznych – stwierdza Shakar. W samochodzie magistrala zasilająca ma napięcie 12 V, a w tym szczególnym statku kosmicznym – 28 V. To, co JPL nazywa jednostką sterującą zasilaniem (PCU), stanowi część struktury rozproszonego zasilania lub przetwornicę miejscowego obciążenia (POL) w innych ziemskich zastosowaniach firmy. W statku kosmicznym Dawn, przetwornica jest zlokalizowana bardzo blisko zasilanego sprzętu lub nawet w nim.

Przy wszystkich podobieństwach przetwornic DC-DC do przetwornic o innych zastosowaniach, istnieją uderzające różnice. – Czynnikami, które napotka statek kosmiczny, a które nie są spotykane tutaj, na Ziemi, są: po pierwsze, promieniowanie otoczenia; po drugie, szeroki zakres temperatur; po trzecie, ogromne wstrząsy i drgania podczas wystrzeliwania pojazdu – zauważa Rogers. – A my nie możemy wysłać technika serwisu, aby dokonał naprawy, gdy zdarzy się awaria.

Randy Frank