GaN-Treiber GaN in Space

Moderne Satellitensysteme werden immer komplexer. Daher wächst der Bedarf an effizienten und platzsparenden Stromversorgungslösungen für Anwendungen im Weltall. Neue GaN-FET-Gatetreiber ermöglichen eine kompakte, leistungsstarke Energieverwaltung. So wird Größe, Gewicht und Energieeffizienz optimiert.

Satelliten müssen eine Vielzahl von Aufgaben bewältigen. Angefangen bei hochauflösenden Erdbeobachtungen bis hin zu globalen Datenübertragungen. Dadurch steigt natürlich auch der Strombedarf, da die Sensorik und Datenverarbeitung immer anspruchsvoller werden. Daher sind kompakte und hocheffiziente Stromversorgungen unerlässlich. Zudem sind neben GaN-FETs auch GaN-FET-Gatetreiber erforderlich, die eine präzise Ansteuerung mit kurzen Schaltzeiten bieten. Das ermöglicht eine verbesserte Nutzung der durch Solarzellen gewonnenen Energie, was direkt die Betriebseffizienz der Satelliten beeinflusst.

Beim Einsatz von Halbleitern im All sind viele Herausforderungen zu beachten. Eine der bedeutendsten ist die Belastung durch Strahlung. Elektronische Komponenten können durch hochenergetische Teilchen aus der kosmischen Strahlung oder von der Sonne Schaden nehmen oder in ihrer Funktion gestört werden. Aus diesem Grund müssen Halbleiter entweder strahlungstolerant oder strahlungsfest (Rad-Hard / Radiation-hardened) sein.

Zwei wesentliche Strahlungseffekte sind die Total Ionizing Dose (TID) und die Single Event Effects (SEE). Bei einer TID bewirkt eine langfristige Strahlenexposition eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters. SEE hingegen können durch einzelne Partikel Schaltvorgänge im Halbleiter auslösen oder dauerhafte Schäden verursachen.

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Frag den Schulz! Kosmische Strahlung – echt oder Science Fiction?

Neben der Strahlung müssen Halbleiter auch extreme Temperaturschwankungen überstehen. Zwar ist es im Weltall oft angenehm kühl, was eine Überhitzung selten macht (-200 °C), jedoch können auch Temperaturen über 150 °C auftreten. Um solche Bedingungen auszuhalten, sind spezielle Kühlmechanismen oder wärmebeständige Gehäusematerialien notwendig. Außerdem müssen die Komponenten mechanischen Belastungen standhalten. Neben der ständigen Temperaturausdehnung treten beim Raketenstart intensive Vibrationen und Beschleunigungskräfte auf. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, werden Halbleiter für den Weltraumeinsatz häufig in hermetisch geschützten Gehäusen eingesetzt. Diese schützen sie vor mechanischen Belastungen und Umwelteinflüssen. Daher ist Wahl des Materials entscheidend. Gegen Strahlung sind Gehäusematerialien mit hoher Dichte und hoher Ordnungszahl notwendig.

Auch die langfristige Verlässlichkeit ist ein wesentlicher Faktor. Da Satelliten und Raumsonden oft über Jahre oder Jahrzehnte ohne Möglichkeit zur Wartung betrieben werden, müssen Halbleiter eine sehr niedrige Fehlerrate aufweisen. Für den Einsatz im All qualifizierte Komponenten genügen strengen Standards wie QML-V (Qualified Manufacturers List) oder Space Enhanced Plastic (SEP). Diese gewährleisten eine hohe Lebensdauer. Die Stromversorgung im All geschiet meistens mit Hilfe von Solarenergie. Um die begrenzte Energie dieser Zellen optimal zu verwenden, sind Halbleiter mit hoher Effizient notwendig. Vor allem zeitgemäße Technologien wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) sind hier die erste Wahl.

SWaP-Optimierung für Satelliten

Die Reduktion von Size, Weight and Power (SWaP) ist ein entscheidender Faktor für moderne Raumfahrtmissionen. Die GaN-Technologie trägt zur Effizienzsteigerung und Massereduzierung bei und bietet folgende Vorteile:

• Höhere Leistung und verbesserte Energieumwandlung

• Verlängerte Missionslebensdauer durch reduzierte thermische Belastung

• Kompaktere Bauweise für platzsparende Designs

• Geringerer Kühlaufwand durch reduzierte Verlustleistung

• Vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Die neue Gatetreiber-Familie von Texas Instruments ist für verschiedene Spannungsebenen optimiert und deckt ein breites Spektrum von Anwendungen im Satellitenstromnetz ab:

• 200V-Variante für Antriebssysteme und die primäre Leistungswandlung von Solarpanels

• 60V- und 22V-Versionen für Verteilungs- und Umwandlungsaufgaben innerhalb des Satelliten

Durch die strahlungsfesten und strahlungstoleranten Varianten sind die Bausteine für den langfristigen Einsatz in niedrigen, mittleren und geostationären Umlaufbahnen geeignet.  (mr)

Taktgeber

Quarze und Oszillatoren für den Einsatz im Weltraum

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