Site Loader

Содержание

Физика радиационных эффектов, влияющих на электронику в космосе / Хабр

Технологический процесс с проектными нормами 32 нм.
Два ядра ARMv7 с тактовой частотой 1,3 ГГц
Оперативная память – 1 Гбайт.

Технологический процесс с проектными нормами 150 нм.
Одно ядро PowerPC с тактовой частотой 200 МГц.
Оперативная память – 256 Мбайт.

Сверху – параметры центрального процессора iPhone5, внизу – марсохода Curiosity. Бортовой компьютер марсохода стоит приблизительно в двести раз дороже нового айфона. Почему так? Центральный процессор космического аппарата должен быть устойчивым к воздействию радиации. На Хабре уже была хорошая обзорная статья о космической электронике, а я постараюсь подробнее рассказать о физических принципах и эффектах, стоящих за сбоями и отказами в космосе.


Рисунок 1. Стоимость одноплатных компьютеров RAD компании BAE Systems измеряется в сотнях тысяч долларов.

Основные источники радиации – Солнце и звезды.

Собственное светило снабжает нас протонами и электронами; от остальных звезд летит все подряд, включая, например, ядра тяжелых элементов. Обитателей Земли от радиации защищает магнитное поле, собирающее пролетающие частицы в радиационные пояса земли (также называемые поясами ван Аллена), и атмосфера, задерживающая то, что остаётся.э Они же – серьезная проблема для космических аппаратов, так что время, проводимое ими в радиационных поясах, стараются минимизировать.


Рисунок 2. Радиационные пояса Земли.

Что происходит, когда микросхема попадает в космос? Основные эффекты – накопление полной поглощенной дозы (total ionizing dose, TID), эффекты, связанные с воздействием одиночных ионизирующих частиц (Single Event Effects, SEE), и эффекты смещения (displacement damage), когда прилетающие частицы выбивают атомы с их мест в кристаллической решетке.

Полная поглощенная доза излучения обуславливает дрейф некоторых характеристик микросхемы, который способен вызвать отказ, как параметрические, так и функциональные. Наиболее важные механизмы различаются от технологии к технологии; для современных микросхем актуальны радиационно-индуцированные токи утечки, а в старых технологиях важную роль играл сдвиг порогового напряжения транзистора.

Под действием ионизирующего излучения в микросхеме происходит образование электронно-дырочных пар. Эти пары в нормальных условиях достаточно быстро рекомбинируют (то есть оторвавшийся электрон захватывается атомом обратно), однако в электрическом поле дырки и электроны могут разделяться (потому что заряды противоположного знака движутся в поле в разные стороны). Основной изолятор, используемый в кремниевых микросхемах – диоксид кремния (SiO

2). Подвижность электронов и дырок в SiO2 различается на несколько порядков, поэтому электроны достаточно быстро выносятся в кремний, а дырки могут накапливаться в оксиде и на границе оксида с кремнием.

Если заряд накопился в подзатворном диэлектрике МОП-транзистора, он будет влиять на его работу как дополнительно приложенное положительное напряжение (или как сдвиг порогового напряжения).

В результате n-канальный транзистор будет приоткрываться. В старых технологиях с толстыми подзатворными диэлектриками сдвиг порогового напряжения n-канальных транзисторов мог быть достаточно большим для того, чтобы транзистор полностью переставал закрываться, что естественным образом приводило к потере работоспособности схемы. Впрочем, уменьшение порогового напряжения еще раньше приводило к тому, что общий ток потребления микросхемы превышал допустимый уровень из-за утечек.

В современных технологиях толщина подзатворного диэлектрика составляет единицы нанометров, и в них попросту не может накопиться достаточно дырок для того, чтобы пороговое напряжение транзистора серьезно изменилось. Поэтому главную роль играет накопление заряда в других имеющихся в микросхеме оксидах, а именно в боковой изоляции, разделяющей соседние транзисторы, и на ее границе в подзатворным диэлектриком. На рисунке показано сечение МОП-транзистора вдоль затвора. Светлый слой – кремний, темный – SiO2. Хорошо видно, что боковая изоляция намного толще, чем подзатворный диэлектрик. Разница на картинках (а) и (б) связано с различными методами изготовления изоляции и играет важную роль в радиационной стойкости транзистора.


Рисунок 3. Разрез МОП структур с боковой изоляцией типа LOCOS и STI.

В толстом изолирующем диэлектрике электрическое поле невелико, и разделение электронно-дырочных пар проходит плохо. В подзатворном диэлектрике поле большое, однако сам оксид тонкий. А вот в переходной области все хорошо (то есть все плохо): оксид достаточно толстый, чтобы в нем накапливался заряд, а электрическое поле достаточно большое, чтобы дырки и электроны эффективно разделялись.

Транзистор в микросхеме можно представить как суперпозицию собственно транзистора и двух расположенных с боков паразитных транзисторов, у которых роль подзатворного диэлектрика играет переходный слой между подзатворным диэлектриком основного транзистора и боковой изоляцией. Пороговое напряжение основного транзистора при воздействии дозы излучения меняется мало, а вот порог паразитных структур может уменьшаться до нуля, создавая каналы протекания тока, не не управляемые основным затвором.

Через эти каналы ток свободно течет из стока в исток – что и называется током утечки.

Утечки, как я говорил выше, приводят к росту тока потребления схемы (что может быть неприемлемо в космическом аппарате, где доступная мощность весьма скромна) и даже к функциональным отказам. Например, распространенная проблема флэш-памяти связана не с запоминающими элементами, а с генератором высокого напряжения, используемым для перезаписи. В этом генераторе есть ключи, которые из-за утечек перестают полностью закрываться, без чего невозможно формирование напряжения, достаточного для перезаписи памяти.

Одиночные эффекты возникают при попадании в транзистор одной ионизирующей частицы (протона, нейтрона или ядра более тяжелого элемента) и делятся на «мягкие» (сбои) и «жесткие» (отказы), Последние – достаточно редкое явление, характерное для мощных схем и малоизученное. Варианты отказов включают пробой подзатворного диэлектрика и прогорание транзистора из-за возникновения проводящего канала между стоком и истоком, а также тиристорный эффект, на котором я остановлюсь подробнее чуть позже.

У «мягких» сбоев есть два основных механизма – первичная и вторичная ионизация. Первая характерна для тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ; ими в данном контексте называют все ядра тяжелее протона), вторая – для протонов и нейтронов. Пролетая через микросхему, частица тормозится из-за взаимодействия с кристаллической решеткой и отдает ей часть своей энергии (этот процесс можно сравнить с нагревом при трении).

Энергия, выделившаяся при пролете частицы, ионизирует атомы кремния. В нормальных условиях подавляющее большинство оторванных от атомов электронов возвращается обратно, но если ионизация происходит вблизи сильного электрического поля, оно может разделить электроны и дырки. Механизм сходен с тем, что происходит при накоплении дозы, но носители заряда не могут накапливаться в кремнии, и длительность одиночных эффектов измеряется не в месяцах, а в пикосекундах.

Сильное электрическое поле в кремнии – это истоковый pn-переход закрытого транзистора, разделение заряда вблизи которого приводит к тому, что носители заряда одного знака попадают в лини земли/питания, а второго – на сток транзистора.

С точки зрения внешнего наблюдателя результат процесса выглядит как импульс тока с передним фронтом в несколько десятков пикосекунд и задним – в несколько сотен. Точные параметры импульса зависят от многих факторов, в том числе технологии изготовлении микросхемы, угла падения частицы и т.д.

Если проинтегрировать получившийся импульс тока по времени, мы получим полный заряд, выделившийся в результате попадания ТЗЧ. Минимальный заряд, приводящий к сбою, называется критическим зарядом сбоя (critical charge). Критический заряд зависит от параметров как пораженной схемы, так и падающей частицы; кроме того, его очень сложно измерить экспериментально, поэтому он обычно применяется для моделирования взаимодействия схемы и частицы и для сравнительного моделирования сбоеустойчивости разных схем.

Энерговыделение принято выражать при помощи линейной передачи энергии (ЛПЭ; английский термин – Linear Energy Transfer, LET), измеряемой в МэВ×см2/мг или точнее, в (МэВ/(мг/см3))/см. Одна единица ЛПЭ – это количество энергии выделяемое пролетающей частицей за сантиметр пролетаемого расстояния на единицу плотности вещества, через которое летит частица. Определение на первый взгляд весьма запутанное, но выбранная именно таким образом единица измерения обладает несколькими важными достоинствами: во-первых, численное значение относительно просто измерить экспериментально; во-вторых, в-третьих, применяемые на практике значения обычно укладываются в диапазон от единицы до сотни.

ЛПЭ – величина не постоянная, то есть параметры пролетающей частицы у крышки корпуса микросхемы, на границе кристалла и непосредственно у транзистора под многочисленными слоями будут разными. Из этого, однако, не следует, что более толстый корпус может помочь – зависимость ЛПЭ от дистанции, пройденной в кремнии, обычно имеет максимум на некоторой глубине (так называемый Брэгговский пик). Подобный эффект используется в радиационной терапии и в некоторых операциях изготовления микросхем: параметры имплантируемых ионов подбираются таким образом, чтобы они останавливались на определенной глубине и создавали на глубине слой с большим уровнем легирования.

Протоны и нейтроны имеют очень маленькую ЛПЭ (приблизительно 0,01 МэВ×см2/мг), однако при пролете высокоэнергетического протона/нейтрона через кремний существует вероятность ядерной реакции, продуктами которой являются ионы с коротким пробегом, но большой ЛПЭ (до 15 МэВ×см2/мг). В технологических процессах с не алюминиевой, а медной металлизацией (180 нм и ниже), кроме того, описаны механизмы взаимодействия протонов с вольфрамом, применяемым для контактов первого уровня (и расположенным, таким образом, прямо над чувствительными pn-переходами). ЛПЭ продуктов таких реакций может достигать 30 МэВ×см2/мг.

Характерные минимальные ЛПЭ падающих частиц, приводящие к сбою – в пределах десятки для технологий с проектными нормами 500-250 нм, и порядка единицы для суб-100 нм технологий, в которых критический заряд может быть так мал, что даже первичная ионизация от протонов и нейтронов способна вызвать сбой. Кроме того, маленький критический заряд сбоя приводит к тому, что достаточный заряд может разделиться при пролете частицы не только через обратно смещенный стоковый pn-переход, но и через несмещенный истоковый, что существенно увеличивает уязвимую площадь на кристалле.

Короткий импульс тока воспринимается микросхемой как импульсная помеха, и, если его амплитуда достаточно велика, он может привести к переключению элемента, стоящего за пораженным транзистором – это и есть радиационно-индуцированный сбой. Комбинационные и аналоговые схемы в момент прохождения импульса тока выдает неверный результат, а запоминающие элементы переключаются насовсем. Таким образом, наиболее уязвимой частью микропроцессора является кэш-память: ее на кристалле много, и сбои в ней не проходят сами по себе.


Рисунок 4. Схема шеститранзисторного запоминающего элемента.

Для примера удобнее всего описать механизм сбоя в шеститранзисторной ячейке статической памяти (простейшем из используемых запоминающих элементов). Запоминающий элемент состоит из двух соединенных положительными обратными связями инверторов (M1-M2 и M3-M4) и двух ключей (M5-M6). В режиме хранения два транзистора закрыты, а два открыты, и на выходах инверторов противоположные значения. Пусть для определенности открыты транзисторы M1 и M4. При попадании ТЗЧ в сток закрытого транзистора (M2 или M3) возникает импульс ионизационного тока, и в ячейке начинаются два процесса: срабатывание положительной обратной связи и рассасывание индуцированного заряда. Эти процессы являются независимыми (их временные константы определяются разными транзисторами) и конкурирующими (эффекты от воздействия процессов противоположны).

Пусть попадание произошло в транзистор закрытый транзистор M2, на стоке которого в результате появился импульс тока. Транзистор М1 в этот момент полностью открыт и имеет маленькое сопротивление, то есть индуцированный ТЗЧ ток через него проходит в землю. Однако емкость узла nQ может быть достаточно большой для того, чтобы его потенциал этого узла вырос на значительное время. Возрастание потенциала узла nQ приводит к переключению второго инвертора (M3-M4). При этом выходное напряжение второго инвертора меняется таким образом, что сопротивление транзистора M1 растет, а транзистор M2 приоткрывается. Если этот процесс происходит дольше, чем процесс рассасывания заряда, то запоминающий элемент переключается, и в нем оказывается записано неверное значение – это и есть радиационно-индуцированный сбой (single event upset, SEU).

Сбои в комбинационной логике проходят несколько проще сбоев в запоминающих элементах – здесь нет обратной связи, и повышение потенциала пораженного узла напрямую передается на следующий каскад. В случае, если амплитуда напряжения достаточно велика, следующий каскад переключается – и дальше по схеме распространяется переходный процесс (single event transient, «иголка» на российском жаргоне). Со сбоями в комбинационной логике связаны дополнительные эффекты, влияющие на то, как схема реагирует на сбой. С одной стороны, есть эффект логического маскирования: не все изменения входных состояний влияют на выход схемы (например, переключение одного из входов элемента «2ИНЕ» не влияет на выход, если на втором входе логический ноль). С другой стороны, если выход пораженной схемы нагружен несколькими элементами, то сбой попадет на входы каждого из них (представьте себе сбой в самом начале дерева тактовых сигналов). И наконец, временное маскирование: на выходе любой комбинационной схемы стоит триггер, запоминающий значения в определенные промежутки времени. При работе на малых частотах вероятность того, что импульс целиком придется на время, в которое триггер ничего не запоминает, довольно велика, однако с ростом частоты длительность импульса (от нескольких сотен пикосекунд до наносекунды) оказывается сравнима с периодом тактового сигнала, и на больших тактовых частотах интенсивность значащих сбоев в комбинационной логике может быть даже выше интенсивности сбоев в запоминающих элементах (кстати, в стоящих на выходах комбинационных схем триггерах тоже могут быть сбои).

Эффективный диаметр области сбора заряда от попадания ТЗЧ – порядка двух микрон, что существенно больше размеров логических элементов в современных технологиях. Поэтому от попадания одной частицы могут сбиться одновременно несколько элементов, например ячеек кэш-памяти. В технологии 65 нм «несколько» могут быть десятью, что создает существенные сложности в применении помехоустойчивых кодов и заставляет серьезно модифицировать топологию элементов микросхемы.

При попадании ТЗЧ в транзистор может возникнуть не только однократный сбой, но и условно-жесткий отказ, вызванный тиристорным эффектом («защелка» или latchup на профессиональном жаргоне). На рисунке показано сечение инвертора, выполненного по объемной КМОП технологии, и показаны паразитные элементы, сформированные слоями микросхемы.


Рисунок 5. Сечение КМОП инвертора с показанными паразитными структурами, участвующими в тиристорном эффекте.

Видно, что два биполярных транзистора образуют pnpn-структуру (исток-карман-подложка-исток), известную под названием тиристор. ВАХ тиристора показана на рисунке и характерна тем, что имеет нелинейность, то есть при достижении некоего прямого смещения на структуре ее сопротивление резко падает, а ток, соответственно, растет.


Рисунок 6. Вольт-амперная характеристика тиристора.

При попадании ТЗЧ индуцированный импульс тока может привести к открыванию биполярных транзисторов и попаданию паразитной тиристорной структуры в низкоомное состояние. Результатом будет формирование короткого замыкания между землей и питанием, потеря работоспособности пораженного элемента и резкий рост тока потребления, способный привести к «выгоранию» пораженного элемента и функциональному отказу. Тиристорный эффект относят к условно-жестким, потому что его воздействие можно остановить при помощи сброса питания с пораженной микросхемы. Эта мера, однако, весьма неудобна и, при большом количестве отказов, неприменима; тиристорный эффект является одной из основных головных болей разработчиков радиоэлектронной аппаратуры для космоса, особенно если они по каким-то причинам используют коммерческие микросхемы вместо специально разработанных.

Как бороться с тиристорным эффектом? Можно разнести транзисторы дальше друг от друга, таким образом увеличив длину базы транзистора Q2, но этот вариант нежелателен из-за снижения плотности упаковки кристалла. Можно увеличить уровни легирования подложки и кармана, снизив подвижность носителей заряда – но это снизит скорость работы и основных транзисторов тоже.

Самый удобный вариант – минимизировать базовые сопротивления паразитных транзисторов (Rs и Rw). Чем меньше сопротивление, тем меньше открывается эмиттерный pn-переход при протекании тока, и тем меньше вероятность включения биполярного умножения заряда. Технологически уменьшение базовых сопротивлений означает обеспечение хороших контактов к подложке и карману или создание транзисторов в выращенном поверх высоколегированной подложки низколегированном эпитаксиальном слое.

Наиболее надежный способ минимизации сопротивления контактов к карману и подложке в традиционной КМОП технологии – окружение транзистора кольцевым контактом (так называемые «охранные кольца» или guard rings). В зависимости от технологии и строгости требований охранных колец может быть от одного до четырех (например, в схемах ввода-вывода, где из-за протекания больших рабочих токов тиристорный эффект возможен и по не связанным с радиацией причинам, в том числе из-за электростатического пробоя). Очевидным недостатком охранных колец является серьезный рост площади элементов (до нескольких раз), то есть даже без учета других методов повышения радиационной стойкости на кристалл поместится намного меньше транзисторов, чем на аналогичный нерадиационностойкий.

Еще один вариант защиты от тиристорного эффекта – полная электрическая изоляция каждого транзистора в схеме, реализуемая в технологии «кремний на изоляторе» (КНИ, по-английски Silicon on Insulator или SOI). Исторически важной разновидностью КНИ является кремний на сапфире (КНС, SOS), в котором отдельные кремниевые островки выращиваются на поверхности монокристалла сапфира, но при переходе к малым проектным нормам от него почти повсеместно отказались по технологическим причинам, и сейчас под кремнием на изоляторе практически всегда подразумевается кремний на SiO2. Существуют разные технологии создания таких пластин, но все они сводятся к тому, что на кремниевой подложке формируется относительно толстый слой SiO2 (называемый скрытым или захороненным оксидом или buried oxide), а поверх него – сплошной слой кремния, в котором и изготавливаются транзисторы, разделяемые обычной боковой изоляцией, доходящей до скрытого оксида. Сравнение сечений МОП-транзисторов, выполненных на объемной и КНИ технологии, показано на рисунке NUM. Там же показаны pn-переходы, вблизи которых происходит разделение электронно-дырочных пар.


Рисунок 7. Сечение МОП-транзисторов, выполненных на объемной и КНИ технологии. Показана генерация заряда при попадании тяжелой заряженной частицы.

Полное отсутствие в КНИ тиристорного эффекта привело к тому, что даже в среде специалистов-разработчиков аппаратуры до сих пор распространено убеждение «КНИ равно радиационная стойкость», но на самом деле это не так. Имея неоспоримое преимущество в стойкости к одному эффекту (и то выражающееся главным образом в экономии площади на охранных кольцах), КНИ может иметь существенно меньшую стойкость как к полной поглощенной дозе, так и к одиночным сбоям.

Электрическая изоляция транзисторов позволяет полностью избавиться от межтранзисторных утечек, но утечка по боковым граням никуда не девается и, более того, наличие скрытого оксида приводит к возникновению еще двух переходных зон между оксидами – и на границе самого скрытого оксида тоже может образоваться паразитный канал. Тем не менее, дозовая стойкость КНИ схем сравнима с аналогичными объемными, и большинство методов ее повышения в объемной технологии применима и к КНИ.


Рисунок 8. Сравнение мест возникновения токов утечки в объемном и КНИ МОП транзисторах.

С точки зрения одиночных эффектов КНИ технология имеет важное преимущество перед объемной: область, из которой происходит диффузионный сбор заряда, ограничена скрытым оксидом и приблизительно на порядок меньше, чем в аналогичной объемной технологии – то есть и сечение сбоев в области насыщения будет на порядок меньше (а также намного короче задний фронт импульса). К сожалению, в коммерческих КНИ схемах это достоинство полностью перечеркивается тем, что пороговая ЛПЭ сбоя так мала, что интенсивность сбоев оказывается у КНИ выше – за счет большого количества частиц с малыми ЛПЭ, которые не сбивают транзисторы объемной технологии, но сбивают КНИ транзисторы. Причина этого – паразитный биполярный эффект. Вы могли заметить из рисунков, что, если потенциал подзатворной области объемных транзисторов совпадает с потенциалом подложки или кармана, то потенциал подзатворной области КНИ МОП транзистора ничем не контролируется. При попадании ТЗЧ в подзатворную область в ней может накапливаться заряд, достаточный для существенного повышения потенциала. Подзатворная область, ограниченная сверху, снизу и с боков диэлектриком, а с оставшихся двух сторон – pn-переходами, в этой ситуации играет роль емкости, заряжаемой индуцированным ТЗЧ током. Повышение потенциала подзатворной области приводит к открыванию истокового pn-перехода. Дальше в МОП-транзисторе включается паразитный биполярный транзистор, который усиливает индуцированный ТЗЧ импульс тока в соответствующее число раз (коэффициент усиления подобных паразитных структур может быть от нескольких единиц до приблизительно десятки). Биполярное умножение приводит к тому, что критический заряд сбоя элемента снижается в несколько раз, и с ним – пороговая ЛПЭ сбоя, что делает КНИ КМОП схемы гораздо менее сбоеустойчивыми, чем аналогичные объемные.

Можно ли избавиться от паразитного биполярного эффекта? Конечно, нужно только сделать так, чтобы потенциал подзатворной области находился под контролем. Варианта два – сделать слой кремния достаточно тонким для того, чтобы он весь стал каналом транзистора (это называется полностью обедненный КНИ или full depleted SOI), или создать контакты к подзатворной области. Контакты бывают двух типов: независимые и привязывающие потенциал подзатворной области к потенциалу истока.


Рисунок 9. Разновидности контактов к подзатворной области КНИ МОП транзистора. Зеленым показано n-легирование, красным – p-легирование.

Главное достоинство контакта, связывающего подзатворную область с истоком – компактность, главный недостаток – невозможность использования для некоторых включений (например, в проходном ключе). Независимые контакты могут быть использованы где угодно, но их площадь сравнима с площадью самого транзистора, поэтому их ставят только там, где это действительно необходимо. Кроме того, контакты обоих типов обладают еще одним полезным свойством – они перекрывают места образования паразитных каналов и позволяют, таким образом, повысить стойкость микросхемы к полной поглощенной дозе.

Показанные выше приемы позволяют обеспечить КНИ технологии сравнимые показатели стойкости к полной дозе и меньшее на порядок сечение насыщения одиночных сбоев, но пороговые ЛПЭ сбоя при этом все еще достаточно малы для того, чтобы микросхема, оказавшаяся на орбите, сбивалась часто. Уменьшить частоту одиночных сбоев можно при помощи схемотехнических и системотехнических методов, но это тема для отдельной статьи (или сотни диссертаций).

РКС завершили испытания радиационного щита для перспективных российских спутников

11 ноября 2021 г., AviaStat.ru – Успешные испытания миниатюрного устройства защиты электронных бортовых систем спутников от воздействия космической радиации провели специалисты холдинга «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «Роскосмос»). Экономичная и универсальная разработка обеспечит надежной радиационной защитой космические аппараты экомониторинга, навигации, связи, научного назначения – от CubeSat до межпланетных станций. Об этом сообщили в РКС.

Развитие и усложнение аппаратуры для космоса, создание более сложных и многоэлементных микросхем закономерно повышает чувствительность приборов к радиации. Вырастает вероятность возникновения так называемого тиристорного эффекта, который на орбите может привести к сбою или даже отказу аппаратуры. Воздействие тяжелых заряженных частиц на электрические цепи спутника в течение нескольких миллисекунд способно привести к аномальному скачку напряжения и в итоге – частичному или полному выгоранию бортовых устройств. 

Производители космической аппаратуры решают эту проблему поиском нетривиальных комбинаций электронных радиационно-стойких компонентов, из которых состоят бортовые системы. Следуя отраслевому тренду, инженеры РКС экспериментируют с оригинальными способами решения технических задач. Очередным результатом такого творческого подхода стало новое устройство: функциональное, надежное и требующее минимальных затрат на реализацию.

«Привычный, традиционный процесс интеграции радзащиты в систему спутника – многомесячный процесс, требующий от компании значительных финансовых затрат. Поэтому о нашей новой разработке мы говорим как о «комплексном инженерном решении» – оно обеспечит РКС оптимальную стоимость производства. Устройства собираются из технологических запасов – небольшого избытка высококачественных микрокомпонентов, которые закупаются приборостроительными компаниями для проектов. Наше инновационное решение обеспечивает максимальную радиационную защиту аппаратуры при минимальных обособленных финансовых и временных затратах», — Ведущий инженер-исследователь отделения создания бортовых комплексов РКС Николай Петух.

Универсальное устройство размером 3х3 см интегрируется в электрические цепи узлов бортовой аппаратуры, ведет непрерывный мониторинг состояния входного и выходного тока напряжения, выявляет разрушающее воздействие радиации и оперативно проводит кратковременные отключения цепи продолжительностью от 5 микросекунд. Так удается избежать деградации бортовых компонентов.

Разработка РКС абсолютно универсальна, обладает гибкими настройками и может быть интегрирована в любую космическую аппаратуру: малые габариты позволяют использовать ее даже на борту CubeSat и других наноспутников.

«Мы провели четыре испытательные сессии: математическое, компьютерное, схемотехническое моделирование и испытания на лазере. Результаты тестов показали, что новая разработка успешно отрабатывает «тиристорный эффект» с высокой скоростью и без потери работоспособности устройства, подвергнутого губительному воздействию. На сегодня это самый оптимальный способ обеспечения радиационной защиты на российском космическом рынке», — Инженер-исследователь отдела радиационной стойкости РКС Степан Голованов.

Новые устройства уже внедряются в производство бортовой аппаратуры перспективных навигационных космических аппаратов и спутников дистанционного зондирования Земли будущих поколений.

Радиационно-стойкая элементная база (импортная и отечественная) сетевого оборудования — Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) — Публикации студентов МИФИ — Каталог статей

ВВЕДЕНИЕ

Радиационная стойкость – это способность материалов сохранять исходный химический состав, структуру и свойства в процессе и (или) после воздействия ионизирующих излучений (ИИ). Радиационная стойкость существенно зависит от вида радиации, величины и мощности поглощенной дозы, режима облучения (непрерывное или импульсное, кратковременное или длительное), условий эксплуатации материала (высокое давление, механические нагрузки, магнитное или электрическое поле), размеров образца материала и других факторов. На практике изменение свойств материала сопоставляется с величиной, характеризующей величину воздействующего излучения, например с потоком (флюенсом) нейтронов или поглощенной дозой ИИ.

Очень часто устройства аэрокосмических систем должны работать в жесткой радиационной среде, способной нарушить или прервать (иногда окончательно) их работу. Аэрокосмические и военные системы особо чувствительны к воздействию тяжелых ионов и протонов, тогда как для наземных приборов опасны высокоэнергетические нейтроны и альфа-частицы. Для околоземных орбитальных спутников общий уровень радиации, определяющий выживаемость электронной аппаратуры, является функцией высоты и наклона орбиты, а также срока службы спутника.

Чтобы противостоять радиации, вызванной гамма-лучами, протонами, нейтронами, электронами и некоторыми видами тяжелых ионов, конструкторы военных, авиационных и космических систем должны установить механизмы воздействия радиации на используемые в системе микросхемы и определить их конструктивные решения, которые позволят смягчить это воздействие. При этом принятые решения должны быть совместимы с типичной полупроводниковой технологией с тем, чтобы микросхемы могли выпускать промышленные предприятия.

Следует отметить, что задача обеспечения радиационной стойкости стоит не только перед разработчиками микросхем для аэрокосмических систем (в основном программируемых вентильных матриц, FPGAs), но и перед производителями их для наземного оборудования. Это связано с тем, что с уменьшением топологических размеров и повышением плотности упаковки микросхемы стали чувствительны к наземному нейтронному воздействию.

В результате сокращения правительственных программ в области стратегических систем после окончания холодной войны многие компании прекратили производство стойких к радиации микросхем. За период с 1985 по 2000 год число компаний, производящих такие электронные приборы, сократилось на 20%. Изделия оставшихся поставщиков оказались достаточно дорогими, а сроки их поставки длительными. При этом стойкость к радиационному излучению достигалась с помощью конструктивно-технологических приемов (применение полуизолирующих подложек, антиперемычек в FPGA). Такие микросхемы, топологические нормы которых составляют микрометры, считаются «радиационно-жесткими» (rad-hard) и классифицируются как схемы, выдерживающие общую накопленную дозу 100 крад и более. Вследствие сокращения числа производителей rad-hard полупроводниковых приборов разработчикам современных радиационно-стойких (rad-tolerant*) систем все труднее выполнять предъявляемые требования к энергопотреблению, быстродействию и стоимости создаваемых изделий. На небольшом рынке rad-hard компонентов сегодня трудно найти новейшие серийно выпускаемые приборы (последние поколения микропроцессоров, быстродействующих микросхем памяти большой емкости и т. п.). Для гарантии выживаемости электронных устройств систем в жесткой радиационной среде разработчикам приходится применять самые разнообразные меры – от отбраковки коммерческих приборов до повышения радиационной стойкости за счет схемотехнических решений, т.е. конструктивными средствами (Radiation-Hardening-By-Design, RHBD).

Сетевое оборудование

Типы СО и их назначение

Сетевая карта — плата, которая устанавливается в компьютер и обеспечивает его подсоединение к ЛВС.

Повторитель — прибор, как правило, с двумя портами, предназначенный для повторения сигнала с целью увеличения длины сетевого сегмента.

Концентратор — прибор с 4-32 портами, применяемый для объединения пользователей в сеть.

Мост — прибор с 2 портами, обычно используемый для объединения нескольких рабочих групп ЛВС, позволяет осуществлять фильтрацию сетевого трафика, разбирая сетевые (MAC) адреса.

Коммутатор — прибор с несколькими (4-32) портами, обычно используемый для объединения нескольких рабочих групп ЛВС (иначе называется многопортовый мост).

Маршрутизатор — используется для объединения нескольких рабочих групп ЛВС, позволяет осуществлять фильтрацию сетевого трафика, разбирая сетевые (IP) адреса.

Медиаконвертер — прибор, как правило, с двумя портами, обычно используемый для преобразования среды передачи данных (коаксиал-витая пара, витая пара-оптоволокно).

В космосе одним из главных устройств СО является повторитель, так как расстояния в межпланетном пространстве огромны. Практически все типы СО используются в космосе, но там на них накладываются требования, совершенно отличные от требований к наземному оборудованию. В первую очередь, из-за космического излучения. Элементная база для сетевого оборудования в космическом пространстве должна быть радиационно-стойкой, а это совсем другие топологические нормы. Одной из самых распространенных технологий телекоммуникационных сетей для космических аппаратов является SpaceWire.

Технология SpaceWire

SpaceWire — телекоммуникационная сеть для космических аппаратов, основанная на части стандарта соединения IEEE 1355. Координируется Европейским космическим агентством (ЕКА) в сотрудничестве с международными космическими агентствами, включая NASA, JAXA и ФКА. В сети SpaceWire узлы соединяются при помощи последовательных соединений типа точка-точка (см. рис. 1), которые обладают низкими задержками и работают в полнодуплексном режиме, и коммутационными роутерами, которые осуществляют маршрутизацию способом коммутации каналов [8].


Рисунок 1 — Соединение типа точка-точка

При таком способе соединения узлы сети могут обмениваться информацией между собой посредством маршрутизаторов (рис. 2), которые направляют пришедшие пакеты данных к целевым узлам.


Рисунок 2 — Структура сети SpaceWire

Непосредственно маршрутизация информации между каналами и, соответственно, между узлами сети осуществляется на пакетном уровне. Структура пакета в сети SpaceWire достаточно проста (рис. 3) и не имеет каких-либо ограничений по длине. Длину пакета следует выбирать, исходя из выбранного протокола обмена, объемов и направлений перемещаемых данных, а также максимального допустимого времени занятости канала.


Рисунок 3 — Структура пакета SpaceWire


Рисунок 4 — Пример сети с маршрутизаторами

SpaceWire используется во многих проектах по всему миру. Ее использование изначально началось в проектах ЕКА, и на данный момент она используется в NASA, JAXA, ФКА, а также множестве прочих организаций и компаний. Некоторые проекты NASA, использующие ее, включают: Космический телескоп имени Джеймса Вебба, Burst Alert Telescope для Swift, Лунный орбитальный зонд, Космический аппарат для наблюдения и зондирования лунных кратеров, Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES-R) и Communications, Navigation, and Networking Reconfigurable Testbed (CoNNeCT). Она также выбрана Министерством обороны США для проекта Operationally Responsive Space. Изменения SpaceWire координируются несколькими космическими агентствами в рамках Консультативного комитета по космическим информационным системам для расширения ее коммуникационной модели на сетевом и транспортном уровнях сетевой модели OSI [7].

3 Межпланетный Интернет

Межпланетный интернет — проект NASA, предназначенный для обеспечения сверхдальней космической связи.
В настоящее время практически повсеместно используется стек протоколов TCP/IP, но он является не самым лучшим выбором в пользу построения межпланетной Сети — задержки при таком соединении на гигантском расстоянии будут просто огромными. Поэтому при проектировании используется архитектура DTN (Delay&Disruption-Tolerant Networking) [9]. Одной из особенностей протоколов, построенных на базе этой архитектуры, является доставка данных вне зависимости от текущего состояния каналов связи. В DTN реализован принцип работы «сохрани и передай» (Store and Forward). При получении данных для узла, в настоящий момент находящегося вне зоны доступа, данные сохраняются. После нахождения маршрута до получателя (или самого получателя) данные передаются на следующий узел.

Передачу пакета данных в DTN можно сравнить с перевозкой груза на грузовике из пункта А в пункт Z по указателям A->B->…->Z. Если в пункте M не будет указателя на N или дорогу размоет, то груз (данные) в обычном варианте выкидывается. Доставка груза (данных) в варианте DTN будет выглядеть следующим образом: фура доезжает до пункта B. В пункте B становится известно, что дороги (канала связи) в C нет, и когда появится — неизвестно. Фура разгружается, груз отправляется на склад. Через 20 дней появляется дорога до C, и груз перевозится в новый пункт. При этом отправитель в пункте А не знает, как (и в общем случае когда) груз дойдет до адресата.

В настоящее время в сети межпланетной связи NASA, построенной по архитектуре DTN, насчитывается 10 узлов.
Летом 2009 года узел IPN заработал на МКС. В рамках тестирования системы были успешно переданы изображения с МКС на Землю.
Впервые испытания нового протокола прошли еще в ноябре 2008 года, когда специалисты НАСА успешно передали около десятка фотографий на борт зонда Deep Impact, находившийся в тот момент в 32 миллионах километров от Земли.

В ноябре 2012 при помощи IPN командир МКС Санита Уильямс провела сеанс управления небольшим роботом (собран из деталей конструктора «Лего»), находившемся в европейском центре управления полетами в германском Дармштадте.

Технология межпланетного Интернета совершенно открытая, поэтому многие космические агентства подключаются к ее разработке. Межпланетный Интернет будет эволюционировать и расширяться по мере того, как старые зонды и спутники будут становиться узлами его сети, помогая передавать сигналы дальше и дальше. К сожалению, препятствием для распространения Сети в космосе является не только расстояние, но и космическое излучение.

Способы обеспечения радиационной стойкости

Считается, что основная радиационная угроза современным электронным приборам – это единичные события (Single Event Effects, SEE), вызванные воздействием высокоэнергетических частиц. Вносимые в результате единичного события неисправности делятся на устойчивые (hard error) и исправимые (soft error) отказы (рис.5). Неисправности электронных устройств в результате радиационного воздействия могут быть обусловлены их конструкцией, рабочей средой, назначением, затраченными на их создание средствами и т.п.


Рисунок 5 — Виды радиационных воздействий, приводящих к устойчивым и исправимым отказам

Наиболее часто исправимые отказы, рассматриваемые как одиночные сбои, проявляются в изменении логического состояния элемента или логического выхода, т.е. в изменении импульсного переходного процесса комбинационной логической схемы. Неисправности этого типа могут возникнуть не только в логике, но и в блоках управления и блоках памяти (в основном СОЗУ). Для устранения вероятности одиночного сбоя разработчики располагают множеством методов помимо простого отбора прибора с встроенной радиационной стойкостью или периодического восстановления его исходного состояния. Единичные события могут вызвать нестационарные токи малой длительности и большой амплитуды, которые способны разрядить узлы системы, приводя к потере информации или инициированию режима защелкивания, и тем самым – к катастрофическому (устойчивому) отказу.

«Серебряной пули», пригодной для устранения любого воздействия рабочей среды, нет. Чтобы обеспечить радиационную стойкость конкретного проектируемого устройства, необходимо знать, где и как оно будет использоваться. Так, большинство разработчиков космических систем основное внимание уделяют обеспечению стойкости к накопленной радиационной дозе, тогда как при создании приборов для наземных приложений этот показатель не столь важен. При этом следует учитывать, что по мере уменьшения топологических норм микросхем, увеличения их быстродействия и сложности радиация вызывает новые эффекты, которые начинают доминировать в схеме. В результате для реализации варианта микросхемы с повышенной радиационной стойкостью нужно устанавливать чувствительность проектируемой системы ко всем потенциальным радиационным угрозам и совершенствовать операции смягчения их воздействия.

Сегодня существуют пять этапов обеспечения радиационной стойкости проектируемого прибора (рис.6), проводимых в соответствии с ужесточающимися требованиями к радиационной защите и способствующие выполнению четырехэтапного процесса смягчения риска радиационного воздействия (определение риска отказа, его анализ, составление плана его смягчения и утверждение плана).


Рисунок 6 — Сравнительные значения стоимости конструирования системы применения к уровням обеспечения радиационной стойкости

Первый этап – отсутствие работ по обеспечению повышенной радиационной стойкости устройства, поскольку заказчик не требует поддержки его работы в радиационной среде. Он может использовать элементы и системы, соответствующие военным и космическим стандартам, которые, по сути, являются высоконадежными устройствами и имеют определенную, но не гарантируемую радиационную стойкость.

Второй этап – ослабление только воздействия накопленной радиационной дозы или обеспечение rad-hard конструкции. Традиционно, этот этап предусматривает выбор компонентов на основе результатов тестирования устойчивости к накопленной радиационной дозе (Total Iionizing Dose, TID).

Третий этап – обеспечение устойчивости к воздействию единичных событий конструктивными средствами. Это основной этап смягчения влияния единичных событий, который, как правило, основан на применении принципа резервирования. Но в этом случае масштабирование схемы ограничено. На этом этапе для сохранения радиационной стойкости системы без ухудшения надежности из-за увеличения ее сложности важно установить баланс между резервированием и сложностью системы.


Рисунок 7 — Поперечное сечение МОП-транзистора

Четвертый этап – гарантия работы системы при облучении протонами и определение чувствительности к такому единичному событию, что предусматривает испытание системы на радиационное воздействие.

Пятый этап – установление устойчивости к единичному воздействию тяжелых ионов. Это самая сложная ступень обеспечения радиационной стойкости, поскольку для снятия характеристик требуется специализированная аппаратура. Как правило, этот этап предназначен для определения радиационной стойкости систем спутников геостационарной и низкой околоземной орбит или систем межпланетных ракет.

Выполнение четырех этапов гарантирует радиационную стойкость изделия, пяти этапов – его полную радиационную стойкость, но только после тестирования и верификации характеристик изделия на каждом этапе. При этом необходимо учитывать следующие особенности процессов определения радиационной стойкости:
­ — данные, характеризующие радиационную стойкость уникальны: полученные для прибора одного изготовителя, они не могут быть использованы для оценки приборов того же типа, но другого изготовителя;
­ — результаты процесса – динамические, а не статические. Поскольку топологические размеры микросхем, создаваемых по космическим проектам, постоянно уменьшаются, меняются радиационные характеристики систем, построенных на основе этих схем;
­ — большая часть изделий военного назначения, доступных на коммерческом рынке (COTS), отвечают второй ступени обеспечения радиационной стойкости. При этом, как правило, радиационная стойкость не более 2% от общего числа оставляемых COTS соответствуют уровню первого этапа, и 8% – уровню второго этапа [2]. Обеспечение радиационной стойкости проектируемых электронных приборов должно быть предусмотрено уже на первых этапах проектирования прибора, так как это свойство нельзя добавить позже. Для выполнения этой задачи необходимо в первую очередь определить механизмы возникновения радиационных эффектов в приборах.

Механизмы воздействия радиации

Паразитные утечки по кромке перехода

В стандартном МОП-транзисторе при ионизирующей радиации под переходом между толстой защитной и тонкой затворной оксидными пленками происходит захват носителей и формирование паразитного транзистора (рис.7). При накопленной дозе в 150 крад (Si) утечки по кромке перехода увеличиваются приблизительно на три порядка по сравнению с их значением до радиации. По мере увеличения накопленной дозы утечка по кромке проводящего канала возрастает, и ток утечки становится почти равным току самого транзистора в открытом состоянии. Возникновение утечки по кромке перехода обычно фиксируется по быстрому росту тока источника питания с увеличением общей накопленной дозы, а также по шунтированию паразитными транзисторами тока исток-сток основного транзистора. И если составной канал n-типа оказывается включенным постоянно, токи утечки могут вызвать функциональную неисправность.

При производстве микросхем гражданского назначения характеристикам переходной области уделяется мало внимания, поскольку значение паразитного тока не приводится в документации на нее. В результате устройства гражданского назначения допускают чувствительность паразитных токов утечки по кромке перехода к радиации. Причем допуски на уровень радиации весьма разнообразны, так как контроль параметров технологического процесса, влияющих на стойкость, незначителен. Ослабление эффекта утечки по кромке перехода при промышленном производстве радиационно-стойких микросхем военного и космического назначения обычно требует модификации их топологии.

Наиболее эффективная, стойкая к общей накопленной дозе структура n-канального транзистора – замкнутая (reentrant), устраняющая границу перехода тонкий–толстый оксид. Правда, создание прибора с такой структурой, электрические параметры и занимаемая площадь кристалла у которого лучше, чем у приборов предыдущего поколения, затруднено. Для p-канального транзистора замкнутая структура не нужна, поскольку его утечка по кромке перехода не чувствительна к радиации.

Утечки подзатворного оксида

Другой механизм воздействия общей накопленной ионизационной дозы, приводящей к утечке, связан с инверсией проводимости области под оксидом затвора и появлением канала утечки. Инверсия проводимости – основная причина неисправности многих промышленных микросхем. Так, если до облучения для инверсии проводимости и образования канала утечки требовалось напряжение в 15 В, то при накопленной дозе 10 крад (Si) значительный ток утечки появлялся при напряжении 5 В. При накопленной дозе в 30 крад (Si) микросхема уже находилась в нерабочем состоянии. Неисправность возникает вследствие значительного превышения током источника питания, а также входными и выходными токами утечки значений, приведенных в технических условиях, или вследствие катастрофической функциональной неисправности. Значительный рост статического тока источника питания в результате увеличения накопленной ионизационной дозы – показатель инверсии области под оксидом затвора.
Возможны два типа каналов утечки, формируемых в результате радиации в области p-типа под оксидом затвора n-канального транзистора. Первый тип возникает между карманом стока n-типа (напряжение которого, как правило, равно напряжению стока Vdd) и истоком n+-типа (напряжение которого равно Vss). Второй тип образуется в результате перекрытия промежутка между n+-областями стока/истока соседних n-канальных транзисторов. Для устранения вероятности образования такого канала необходим промежуточный ограничитель канала – область с высокой концентрацией примеси p-типа, имплантируемой в кремний под оксидом, что затрудняет ее инверсию и эффективно предотвращает формирование канала утечки (рис.8). При таком подходе значительно увеличивается расстояние между соседними n+-областями и между n-карманом и n+-областями. Тем не менее, этот метод эффективно ограничивает канал утечки.


Рисунок 8 — Схема имплантируемого p+-ограничителя канала, располагаемый под разделительным слоем оксида

Характеристики транзистора

При одновременном использовании замкнутой структуры транзистора и p+-ограничителей канала влияние общей накопленной ионизационной дозы и утечки под защитным слоем оксида снижаются, и характеристики n- и p-канальных транзисторов при радиационном воздействии изменяются незначительно. Изменения характеристик транзистора по мере накопления общей ионизационной дозы связаны с захватом положительного заряда под оксидом и формированием пограничных состояний. Особое беспокойство положительный заряд, захваченный под оксидом, вызывает в n-канальных транзисторах, поскольку он приводит к снижению порогового напряжения, транзистор начинает работать в режиме обеднения и, следовательно, снижается помехоустойчивость прибора и растет его ток утечки в закрытом состоянии. Однако уровень захвата положительно заряженных носителей, обусловленный облучением, примерно пропорционален квадратному корню из значения толщины затворного оксида, а поскольку в микроэлектронике существует тенденция к уменьшению толщины этих оксидов, стойкость транзисторов к радиации должна возрастать.

Пограничные состояния вызывают изменение порогового напряжения как n-, так и p-канальных транзисторов, а также снижение подвижности носителей. Результат – уменьшение управляющего тока. Кроме того, пограничные состояния уменьшают крутизну подпороговых ВАХ n- и p-канальных транзисторов, приводя к увеличению тока утечки. Число пограничных состояний, возникающих под воздействием общей накопленной дозы, сложным образом зависит от процесса изготовления транзистора. Особенно вредны насыщенные водородом среды, используемые в некоторых технологических операциях. Поэтому общего определения степени влияния промышленного технологического процесса на формирование пограничных состояний в результате радиации нет.

Единичные события. Тиристорный эффект или «защелка» (SEL)

Серьезная проблема КМОП-микросхем при облучении высокоэнергетическими частицами и протонами – включение присущего структуре такой микросхемы паразитного p-n-p-n-тиристора, что может привести к защелкиванию канала и вызвать катастрофический отказ схемы.

При нормальном смещении микросхемы потенциал подложки p-типа самый низкий, а кармана n-типа – самый высокий. Ни один из переходов p-n-p-n-структуры тиристора не смещен в прямом направлении, и он отключен. Однако ионизирующее воздействие одиночной высокоэнергетической частицы может вызвать переходной ток, который инжектирует заряд в области катодного или анодного управляющего электрода тиристора. Падение напряжения, вызываемое током, протекающим к контакту кармана или подложки, может оказаться достаточным для прямого смещения перехода тиристора, что приводит к включению биполярного транзистора, работающего с положительной обратной связью и поддерживающего ток в канале защелкивания. Этот канал проводит ток до тех пор, пока его напряжение не станет меньше напряжения тиристора в открытом состоянии, обычно равного Vбэ(вкл.) + Vкэ(нас.). Поскольку общее сопротивление канала невелико, и он часто возникает между соседними контактами Vdd и Vss, ток может быть достаточно большим, чтобы выжечь металлизацию и, тем самым, привести к катастрофическому отказу.

Существует несколько конструктивных приемов для уменьшения восприимчивости микросхемы к защелкиванию. Согласно принятой для описания тиристора модели транзистора с перекрестными обратными связями, защелкивание не может произойти, если в диапазоне коллекторного тока произведение усиления n-p-n- и p-n-p-транзисторов будет меньше единицы. Защелкивания канала также не происходит, если переходы катодного или анодного управляющих электродов тиристора закорочены. Для повышения устойчивости микросхемы к защелкиванию принимаются следующие меры:
­ — увеличивается расстояние между n+- и p+-областями истока/стока и кромкой кармана;
­ — формируются дополнительные n+-защитные кольца в n-кармане и p+-защитные кольца в подложке p-типа для уменьшения усиления паразитных транзисторов и контроля потенциала кармана и положки в канале защелки;
­ — увеличивается число контактов кармана и подложки и уменьшается расстояние между ними и каналом защелки.

Одиночные сбои (SEU) – наиболее распространенные и наименее опасные результаты ионизирующего воздействия. Одиночный сбой – это результат появления при ионизации в важном узле микросхемы (микропроцессоре, полупроводниковой памяти или мощном транзисторе) свободного носителя, вызывающего изменение состояния этого чувствительного к воздействию ионов или электромагнитному излучению узла. Неисправность, вызванная единичным событием, не приводит к серьезному ухудшению функционирования микросхемы и рассматривается как исправимая ошибка. Исследования показали, что число одиночных сбоев микросхемы, подвергающейся ионизирующему воздействию, растет с увеличением объема ее блока памяти, а поскольку объем запоминающих устройств микросхем непрерывно растет, растет и число регистрируемых одиночных сбоев.

Меры по смягчению одиночных сбоев следует начинать с выбора структуры, позволяющей минимизировать накопление заряда. Наиболее желательно использовать как можно более тонкий эпитаксиальный слой и самый высокий уровень легирования подложки. Для ослабления воздействия одиночных событий полезна и модификация топологии транзисторов. Например, для уменьшения поперечного сечения уязвимых узлов нужно минимизировать поверхность области стока. Для обычных транзисторных структур это означает устранение удлиненных областей стока, используемых в качестве перемычек межсоединений или промежуточных трассировочных слоев, что особенно важно, когда для получения низкого удельного сопротивления на электроды истока/стока наносится слой силицида. Для замкнутых конструкций – это использование внутренней области конструкции в качестве стока, поскольку ее поверхность мала.

Так как значительный заряд трека ионизации может быть собран за счет диффузии, полезно увеличивать расстояние между двумя соседними приборами и вводить области рекомбинации носителей. Размещение контактов к подложке и карману между приборами в специализированных микросхемах ASIC-типа может предотвратить многочисленные сбои по битам при одиночном событии.
Вместе с тем, как уже указывалось, все больше внимания уделяется схемотехническим или конструктивным методам повышения радиационной стойкости (RHBD).

RHBD цифровых схем

Техника RHBD цифровых схем включает рассеяние заряда и резервирование. Рассеяние заряда предусматривает увеличение отношения ширины к длине транзисторов, добавление в схему конденсатора (что нежелательно для быстродействующих микросхем средств связи) и/или развязывающих резисторов или вспомогательных транзисторов. Эти методы в общем случае снижают быстродействие схемы и приводят к увеличению ее площади.
Резервирование позволяет копировать информацию с целью ее сохранения после облучения схемы. Повышение стойкости к одиночным сбоям с помощью методов резервирования схемной конструкции основано на трех принципах:
­- резервное хранение информации за счет наличия ячейки хранения неискаженных после единичного события данных;
­ — обратная связь ячейки хранения исправных данных может способствовать восстановлению;
­ — «разумность» меры обратной связи, необходимой для восстановления соответствующей ячейки, должна быть основана на том, что ток, возникший в результате удара ионизирующей частицы, протекает от диффузионной области n-типа к области p-типа.

Самый распространенный сегодня метод – тройное модульное резервирование (TMR), заключающийся в подключении к схеме голосования трех копий критических блоков микросхемы, присоединенных к одной тактовой шине и шине данных. Схема голосования, или принятия решения по большинству голосов, функционирует на основе положения, что только одна копия логического блока будет поражена. Данные схемы должны периодически обновляться, чтобы гарантировать присутствие ошибок только в течение одного тактового цикла и не задерживать будущие голосования. Для повышения эффективности метода транзисторы в логических блоках должны быть размещены раздельно с тем, чтобы ионизирующее облучение не воздействовало на несколько узлов. Избыточная площадь при использовании TMR – основной недостаток метода.

Возможны и другие метода резервирования, такие как временное и пространственное. Хотя RHBD-методы повышения радиационной стойкости аналоговых и цифровых микросхем различны, оба, как правило, приводят к увеличению энергопотребления и площади элементов, а также к ухудшению быстродействия схем обоих классов.

Демонстрация возможностей RHBD-метода

Для проверки жизнеспособности метода RHBD были изготовлены и испытаны негерметизированная тестовая схема и двухрегистровый файл вентильной матрицы сложностью 12∙103 вентилей. Регистровый файл занимал две трети площади кристалла, остальная часть которой использовалась для проведения экспериментов с конструкцией. Микросхемы изготавливались на эпитаксиальной подложке p-типа, толщина эпитаксиального слоя которой была относительно большой (~12,5 мкм) для лучшего подавления эффекта защелкивания. Схемы изготавливались по 0,8-мкм топологии с трехслойной металлизацией. На поликремниевый затвор и контакты истока/стока наносился слой силицида. Толщина затворного оксида составляла 17 нм.

Испытания двухрегистрового файла на одиночный сбой и защелкивание показали, что порог сбоя при одиночном событии превышает 50 МэВ∙см2/мг, что соответствует интенсивности побитовых ошибок 1,7∙10-7 ebd (ошибок/бит/день) для геостационарной орбиты и 3,5∙10-9 ebd для околоземной орбиты (600 км).

Для имитации наихудших условий, способствующих защелкиванию тестовой схемы, испытания проводились при напряжении стока Vdd = 5,5 В и температуре 100˚С. Защелкивания не наблюдалось при энергии ионов до 102 МэВ см2/мг (предельного значения для измерительной аппаратуры). Это значит, что схема сможет успешно противостоять защелкиванию при космических применениях [1].

Импортная элементная база

RAD750

Компания BAE Systems занимается разработкой и производством изделий для военных и космических применений с 1980-х гг. Компания разработала целый ряд микропроцессоров для космических применений, но наиболее совершенными характеристиками обладает микропроцессор RAD750 с архитектурой PowerPC.

Он производится по технологии 0,25 мкм КМОП и имеет рабочую частоту до 166 МГц. Стойкость к накопленной дозе составляет не менее 200 крад. Гарантируется полное отсутствие тиристорного эффекта и значение порога к одиночным сбоям ЛПЭ не менее 45 МэВ•см2/мг. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1,6∙10–10/бит/день.

В 2009 г. компания представила улучшенную версию микропроцессора RAD750, изготовленную по радиационно-стойкой технологии 0,15 мкм КМОП. Частота микропроцессора увеличена до 200 МГц, стойкость к накопленной дозе увеличена до 1 мрад, при этом гарантируется отсутствие тиристорного эффекта и сравнимые с 0,25-мкм версией микропроцессора показатели стойкости к одиночным сбоям. В настоящий момент выполняется аттестация данного микропроцессора на соответствие требованиям для космической аппаратуры [3].

Микропроцессор HXRHPPC

Компания Honeywell выпускает широчайший набор радиационно-стойкой элементной базы. Базовой технологией является технология «кремний-на-изоляторе» с проектными нормами вплоть до 0,15 мкм, что позволяет полностью исключить эффекты тиристорной защелки и существенно уменьшить вероятность одиночных сбоев. В число производимых компанией микросхем входит микропроцессор с архитектурой PowerPC, имеющий наименование HXRHPPC.

Микропроцессор HXRHPPC производится по технологии 0,35 КнИ и имеет частоту до 80 МГц. Стойкостью к полной накопленной дозе составляет более 300 крад, гарантируется полное отсутствие тиристорного эффекта. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1,5∙10–5 /чип/день.

Микропроцессор AT697E

Компания Atmel достаточно давно выпускает микропроцессоры на базе ядра LEON2FT. Последняя разработка имеет номер AT697E. В состав микропроцессора входит целочисленное ядро, совместимое со SPARC V8, арифметический сопроцессор, контроллеры статического и SDRAM ОЗУ, контроллер PCI, последовательные порты и другие периферийные устройства.

Особенность данного микропроцессора заключается в том, что помимо традиционных средств обнаружения и коррекции одиночных сбоев, защищающих регулярные структуры кэш-памяти и регистровых файлов, в нем применяется схема тройного резервирования триггеров со схемой голосования, что позволяет защитить триггеры нерегулярной управляющей логики от одиночных сбоев.

Микропроцессор AT697E производится по КМОП-технологии 0,18 мкм и имеет частоту до 100 МГц. Стойкость к полной накопленной дозе составляет более 60 крад. Гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 70 МэВ•см2/мг. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1∙10–5/чип/день.

В 2009 г. компания представила улучшенную версию микропроцессора под номером AT697F, в которой повышена стойкость к накопленной дозе до 300 крад, а также исправлены ошибки предыдущей версии.

Семейство микропроцессоров LEON3FT-RTAX

Компания Aeroflex Colorado Springs развивает и продвигает семейство микропроцессоров на основе ядра LEON3FT, которая отличается от LEON2FT более глубоким конвейером (7 стадий вместо 5) и поддержкой многопроцессорности.

В настоящий момент выпускается семейство микропроцессоров LEON3FT-RTAX на базе радиационно-стойких ПЛИС RTAX2000S от Actel. Все модификации микропроцессора LEON3FT-RTAX имеют рабочую частоту до 25 МГц, стойкость к накопленной дозе до 300 крад; гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 104 МэВ•см2/мг и порог к одиночным сбоям ЛПЭ не менее 37 МэВ•см2/мг.

В мае 2009 г. компания анонсировала микропроцессор U699, выполненный не на ПЛИС, как LEON3FT-RTAX, а в виде заказной микросхемы. Он изготавливается по технологии 0,25 мкм КМОП и имеет рабочую частоту до 66 МГц. Стойкость к накопленной дозе составляет не менее 300 крад, гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 108 МэВ•см2/мг. Порог и частота одиночных сбоев не приводится.

Микропроцессор Mongoose V

Стоит упомянуть достаточно старый 32-разрядный микропроцессор Mongoose V с архитектурой MIPS-I, разработанный более 10 лет назад, но все еще применяемый в бортовых компьютерах космических аппаратов. Поставками микропроцессора занимается компания Sanova.

В состав микропроцессора входит целочисленное MIPS-ядро, включая кэш память команд 4 Кбайт и данных 2 Кбайт, арифметический сопроцессор, последовательные порты, таймеры и т.д. Стойкость к одиночным сбоям повышается за счет повсеместного применения корректирующих кодов для регулярных структур.

Микропроцессор изготавливается по технологии КнИ компании Honeywell и имеет рабочую частоту до 15 МГц. Стойкость к полной накопленной дозе, которая составляет более 100 крад, гарантирует полное отсутствие тиристорного эффекта. Порог одиночных сбоев ЛПЭ составляет не менее 80 МэВ•см2/мг.

Отечественная элементная база

Вопреки распространенному мнению о полном отсутствии отечественных микропроцессоров, удовлетворяющих требованиям стойкости к воздействующим факторам космического пространства, в последние годы отечественные предприятия разработали и освоили в серийном производстве несколько микропроцессоров и микроконтроллеров, удовлетворяющих подобным требованиям, краткий обзор которых приводится ниже.

Микроконтроллер 1874ВЕ05Т

ОАО НИИЭТ (Воронеж) разработал 16-разрядный микроконтроллер 1874ВЕ05Т, предназначенный для встроенных систем управления в условиях жестких требований к специальным внешним воздействующим факторам (СВВФ). В состав МК входят последовательный порт ввода/вывода, сторожевой таймер, регистровое ОЗУ и пр. Тактовая частота МК составляет 20 МГц.

В документации приведены значения показателей стойкости к СВВФ, однако вследствие особенностей документации на отечественные микросхемы затруднительно провести прямое сравнение с зарубежными микропроцессорами по показателям стойкости. При этом можно утверждать, что показатели МК удовлетворяют требованиям по применению в космическом пространстве. Учитывая, что МК изготавливается по технологии КнИ, можно сделать вывод, что тиристорный эффект отсутствует, и обеспечивается примерно на порядок большая стойкость к одиночным сбоям, по сравнению с традиционной КМОП-технологией [3].

Микропроцессор 5890ВЕ1Т

Разработка НИИСИ РАН. В открытой печати информация об этом микропроцессоре отсутствует, поэтому в реферате приводятся минимальные данные, представленные в устном докладе на конференции «Элементная база космических систем» в 2009 г.
В состав микропроцессора входит целочисленное 32-разрядное RISC-ядро, включая кэш-память размером 8 Кбайт + 8 Кбайт, арифметический сопроцессор и набор контроллеров, в т.ч. контроллер шины PCI, контроллеры ОЗУ и ПЗУ, контроллер последовательных портов RS232 и т.д., что позволяет строить функционально законченную ЭВМ на его основе.

Рабочая частота 33 МГц, стойкость к накопленной дозе удовлетворяет требованиям применения в космическом пространстве. Микропроцессор изготавливается по технологии КнИ. Соответственно, тиристорный эффект отсутствует, а также обеспечивается примерно на порядок большая стойкость к одиночным сбоям по сравнению с традиционной КМОП-технологией.

Микропроцессор MC-24R («Сталкер»)

ГУП НПЦ «Элвис» (Зеленоград) разрабатывает МК MC-24R («Сталкер»), который предназначен для аэрокосмических бортовых систем управления и обработки данных. В состав микропроцессора входит MIPS32-совместимое ядро и ядро специализированного сопроцессора с SIMD-архитектурой и ряд периферийных контроллеров.

Микропроцессор рассчитан на коммерческую технологию 0,25 мкм. Расчетная рабочая частота — до 100 МГц. Защита от тиристорного эффекта обеспечивается специальными топологическими решениями. Защита от одиночных сбоев обеспечивается применением корректирующих кодов для регулярных структур. Численных значений по стойкости к накопленной дозе, тиристорному эффекту и одиночным сбоям в открытой печати найти не удалось.

Микросхема 1895ВА2Т

ЗАО НТЦ «Модуль» представил БИС 1895ВА2Т в радиационно-стойком исполнении, которая реализует логическую часть устройства интерфейса мультиплексного канала передачи данных (МКПД) по ГОСТ Р 52070-2003 и предназначена для организации обмена информацией и контроля передачи информации по резервированному (дублированному) МКПД.

Технические характеристики: интегрированный интерфейс с ЦП, обеспечивающий возможность прямого подключения к широкому ряду 8-ми и 16-разрядных микропроцессоров, с использованием минимального количества вспомогательной внешней логики; программный выбор тактовой частоты синхронизации микросхемы: 16/12 МГц; тиристорный эффект при воздействии факторов 7.К9 (7.К10) отсутствует, пороговые ЛПЭ по тиристорному эффекту при воздействии факторов 7.К11 (7.К12) ≥ 68 МэВ*см2/мг.

Серия КМОП ИС 5514БЦ1(2)ТхУххххх

Группа компаний «Ангстрем» разработала серию КМОП интегральных схем, реализованную на быстродействующем базовом матричном кристалле, стойком к воздействию СВВФ. Они применяются в цифровых блоках аппаратуры, работающих в жестком условиях, в том числе в условиях воздействия радиационных факторов.
Максимальная рабочая частота – 100 МГц. Максимальные выходные токи не менее 24 мА, диапазон напряжений питания – от 2,0 В до 6,0 В.

Возможные пути развития космических технологий

В области нанотехнологий в США под эгидой НАСА была разработана программа развития нанотехнологий и создания наноматериалов для аэрокосмической техники. Структура этой программы представлена на рисунке 9.

Ее основными разделами, которые показаны в нижней части рисунка, являются наноматериалы, элементы бортовой электроники, сенсоры различного назначения и нанокомпоненты оборудования КА. В верхней части рисунка указаны возможности, открываемые применением новых материалов и элементов.


Рисунок 9 — Программа НАСА развития нанотехнологий

Анализ этих и других имеющихся данных позволяет сделать прогноз развития космических технологий, представленный на рис. 10. На этом рисунке горизонтальная шкала отражает рост потенциальных возможностей космических систем на разных временных этапах, а движение вверх по вертикальной шкале показывает повышение уровня сложности и интеграции систем. Каждый новый шаг по шкале времени, приведенной в верхней части рисунка, предполагает появление более сложных нанообъектов, а также возникновение и развитие новых областей знаний и технологий или функций.


Рисунок 10 — Прогноз развития космических нанотехнологий

Как можно видеть из приведенной прогностической схемы, в ближайшие годы ожидается появление и даже начало практического применения нескольких классов наноматериалов. Прежде всего, речь идет о новых конструкционных материалах на основе наночастиц и нанотрубок, которые позволят резко снизить вес КА без ущерба для его прочности. Другим успешно развиваемым направлением является наноэлектроника с использованием УНТ и иных наноструктур. В дальнейшем планируется создание стойких к воздействию космической радиации молекулярных компьютеров и биокомпьютеров, реализация известного проекта строительства «космического лифта» на основе сверхпрочного троса протяженностью от земной поверхности до геостационарной орбиты, разработка биосенсоров, использующих эффект «молекулярного распознавания», создание сенсорных сетей для диагностики состояния среды в окрестности Земли и других планет, а также систем нанороботов, способных выполнять масштабные работы, в том числе направленные на улучшение окружающей среды.

Достаточно серьезное внимание уделяется фундаментальным исследованиям процессов самосборки наноструктур и наноустройств, применению УНТ в космических технологиях, а также созданию наноэлементов для оптики и фотоники. На рассматриваемом временном интервале до 2035 г. предполагается непрерывное совершенствование основных систем КА за счет применения нанотехнологий и наноматериалов.

Существенное позитивное влияние на дальнейшее развитие и совершенствование космической техники с применением наноматериалов и наносистем может оказать широкое внедрение так называемых CALS-технологий, представление о которых возникло в первой половине 1980-х гг. Это непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделий с использованием компьютерных методов. Внедрение CASL-технологий предполагает создание интегрированной информационной среды, обеспечивающей единообразное основанное на применении стандартов и нормативных документов управление процессами проектирования, производства и эксплуатации технически сложных наукоемких изделий, к которым, безусловно, относятся изделия ракетно-космической техники. Очевидно, что роль такого подхода будет возрастать по мере расширения номенклатуры используемых в космической технике наноматериалов и наноустройств и построенных на их основе систем. Работы по созданию нанотехнологий и наноматериалов для космической отрасли включены в «Федеральную космическую программу» [11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В реферате были рассмотрены типы сетевого оборудования и их назначение. Так же была рассматрена телекоммуникационная сеть для космических аппаратов SpaceWire. Данная технология используется во многих проектах по всему миру. На данный момент она нашла применение в NASA, JAXA, ФКА, а также во множестве прочих организаций и компаний. В SpaceWire узлы соединяются при помощи последовательных соединений типа точка-точка, благодаря чему узлы могут обмениваться информацией между собой посредством маршрутизаторов. Маршрутизация информации между каналами осуществляется на пакетном уровне. Технология SpaceWire, предназначенная для распределенных бортовых систем аэрокосмических аппаратов, находит применение в системах различного назначения.

Так же был рассмотрен еще один проект NASA – межпланетный Интернет, предназначенный для обеспечения сверхдальней космической связи. Наилучшим выбором для космического Интернета являются протоколы, построенные на базе архитектура DTN, поэтому при проектировании используют их. В настоящее время в сети межпланетной связи НАСА, построенной по архитектуре DTN, насчитывается 10 узлов.

Также были описаны способы обеспечения радиационной стойкости. Самыми популярными являются RHBD-методы повышения радиационной стойкости для цифровых схем. Техника RHBD включает рассеяние заряда и резервирование. Самый распространенный сегодня метод – тройное модульное резервирование (TMR), заключающийся в подключении к схеме голосования трех копий критических блоков микросхемы, присоединенных к одной тактовой шине и шине данных.

Далее был приведен краткий обзор зарубежных и отечественных микропроцессоров, стойких к воздействию радиационных факторов космического пространства. Во всех из них применены специальные схемотехнические, технологические и топологические решения для того, чтобы обеспечить требуемый уровень стойкость. Разработка таких решений является весьма трудоемким и дорогостоящим процессом, в связи с чем стоимость микропроцессоров для космических применений составляет десятки тысяч долларов за штуку, что в сотни раз выше коммерческих аналогов. Рассмотрены показатели стойкости к одиночным сбоям, накопленной дозе и эффекту тиристорной защелки. Необходимо отметить, что помимо перечисленных основных эффектов, существуют и другие, например эффекты множественных сбоев, эффект выгорания подзатворного диэлектрика, микродозовый эффект и др., изучение которых ведется достаточно активно, но их влияние начинает ощутимо проявляться только при уменьшении проектных норм от 180 нм. Данное обстоятельство является одной из причин того, что наиболее совершенной технологией, применяемой при проектировании микропроцессоров для космических применений, является технология 0,25 мкм, и ведущие мировые компании только начинают осваивать уровень 0,15 мкм для космических применений, тогда как для коммерческих схем применяются технологические уровни до 32 нм и активно осваиваются новые технологические рубежи.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Мироненко Л., Юдинцев В. Повышение радиационной стойкости интегральных схем. Конструктивные методы на базе промышленной технологии, 2012
2 Поливанов А., Попов В. Системные методы увеличения функционирования СБИС запоминающих устройств и бортовой аппаратуры космических аппаратов
3 Осипенко П. Микропроцессоры для космических применений, 2014
4 Сваричевский М. Микроэлектроника для космоса и военных, 2012
5 https://ru.wikipedia.org/wiki/Сетевое_оборудование
6 http://www.electronics.ru/journal/article/759
7 http://kit-e.ru/preview/pre_64_9_13_ipc.php
8 https://ru.wikipedia.org/wiki/Межпланетный_Интернет
9 http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/5956/
10 http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1983/04/vozdeistvie.html
11 Новиков Л.С., Воронина Е.Н. Перспективы применения наноматериалов в космической технике, 2008

БИС 1895ВА1АТ — АО НТЦ «Модуль»

БИС 1895ВА1АТ в радиационно-стойком исполнении реализует логическую часть устройства интерфейса мультиплексного канала передачи данных (МКПД) по ГОСТ Р 52070-2003 и предназначена для организации обмена информацией и контроля передачи информации по резервированному (дублированному) МКПД в режимах контроллера шины (КШ), оконечного устройства (ОУ), монитора шины (МШ), осуществляемой под управлением микропроцессора (управляющего вычислителя, ЦП), с использованием внешних приемопередатчиков.

Технические характеристики

Поддержка функционирования устройства интерфейса МКПД в режимах контроллера шины (КШ), оконечного устройства (ОУ), монитора (МШ) или совмещенного режима ОУ/МШ, с программным выбором требуемого режима
Гибкий интегрированный интерфейс с ЦП, обеспечивающий гибкость в выборе конфигурации и возможность прямого подключения к широкому ряду 8-ми и 16-разрядных микропроцессоров, с использованием минимального количества вспомогательной внешней логики
Внутреннее, разделяемое с ЦП, статическое ОЗУ объемом 4K 16-разрядных слов
Режим работы с использованием внешнего разделяемого ОЗУ (объем адресуемого пространства)
Выбор конфигурации интерфейса с ЦП и различными режимами памяти
Программный выбор тактовой частоты синхронизации микросхемы: 16/12 МГц
Программно задаваемые разновидности формирования выходного сигнала запроса на обработку прерывания
Возможность реализации режимов работы монитора МКПД: словный монитор, монитор сообщений, совмещенный режим ОУ и монитора сообщений
Напряжение питания + [3,0В : 3.6В]
108-выводной планарный металлокерамический корпус типа 4226.108-2 с шагом между выводами 0,625 мм
Уровни стойкости к воздействию специальных факторов: 7.И1 — 5УС, 7.И2-7.И5 — 2УС, 7.И6 — 5УС, 7.И7 — 0,5×5УС, 7.И8 — 0,04×1УС, 7.И10-7.И11 — 2УС, 7.С1-7.С3 — 5УС, 7.С4 – 2,9х5УС, 7.С5 — 5УС, 7.К1 — 1,4х2К, 7.К4 — 1,4х1К, тиристорный эффект при воздействии факторов 7.К9 (7.К10) отсутствует, пороговые ЛПЭ по тиристорному эффекту при воздействии факторов 7.К11 (7.К12)69 МэВ*см2/мг
Диапазон рабочих температур среды от -60 до + 85 °С

Применение

Сопряжение, с использованием внешних приемопередатчиков, управляющего вычислителя (ЦП) с резервированным (дублированным) МКПД по ГОСТ Р 52070-2003 в авиационной, космической и специализированной аппаратуре различного функционального назначения.

Часто задаваемые вопросы

Где узнать цены на продукцию и срок поставки?

Можно позвонить по номеру +7 (499) 152-96-98 или написать на [email protected]

Как сделать заказ?

1. Выбрать типономинал интересующей микросхемы

2. Указать количество необходимых микросхем

3. Направить Заявку/договор на приобретение продукции на официальном бланке предприятия (при заказе микросхем с приёмкой «5» требуется подпись военного представителя) на имя Генерального директора АО НТЦ «Модуль» на электронный адрес отдела продаж [email protected]

Как получить заказ?

Получение заказа осуществляется самовывозом со склада по адресу г. Москва, 4-я ул 8 Марта, д.3., либо оформляется доставка курьерской службой (оплачивается отдельно).

Где можно скачать софт?

Весь поставляемый с аппаратурой софт является бесплатным, скачать его можно в разделе «Продукты — Программное обеспечение»

Как получить техническую документацию на изделие?

Если информации в разделе «Документация» на странице изделия недостаточно, необходимо написать запрос документа в свободном виде с указанием названия изделия на [email protected]

Куда обращаться, если остались вопросы?

По любым вопросам о продуктах/услугах/предоставлении информации звоните +7 (499) 152-96-98 или пишите [email protected]

Завершены испытания радиационного щита для перспективных российских спутников

Успешные испытания миниатюрного устройства защиты электронных бортовых систем спутников от воздействия космической радиации провели специалисты холдинга «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «Роскосмос»).

Экономичная и универсальная разработка обеспечит надежной радиационной защитой космические аппараты экомониторинга, навигации, связи, научного назначения — от CubeSat до межпланетных станций.

 

Развитие и усложнение аппаратуры для космоса, создание более сложных и многоэлементных микросхем закономерно повышает чувствительность приборов к радиации. Вырастает вероятность возникновения так называемого тиристорного эффекта, который на орбите может привести к сбою или даже отказу аппаратуры. 

 

Воздействие тяжелых заряженных частиц на электрические цепи спутника в течение нескольких миллисекунд способно привести к аномальному скачку напряжения и в итоге — частичному или полному выгоранию бортовых устройств.

 

Производители космической аппаратуры решают эту проблему поиском нетривиальных комбинаций электронных радиационно-стойких компонентов, из которых состоят бортовые системы. Следуя отраслевому тренду, инженеры РКС экспериментируют с оригинальными способами решения технических задач. Очередным результатом такого творческого подхода стало новое устройство: функциональное, надежное и требующее минимальных затрат на реализацию.

 

Ведущий инженер-исследователь отделения создания бортовых комплексов РКС Николай Петух отметил, что «инновационное решение обеспечивает максимальную радиационную защиту аппаратуры при минимальных обособленных финансовых и временных затратах.

 

Универсальное устройство размером 3×3 см интегрируется в электрические цепи узлов бортовой аппаратуры, ведет непрерывный мониторинг состояния входного и выходного тока напряжения, выявляет разрушающее воздействие радиации и оперативно проводит кратковременные отключения цепи продолжительностью от 5 микросекунд. Так удается избежать деградации бортовых компонентов».

 

В свою очередь, инженер-исследователь отдела радиационной стойкости РКС Степан Голованов сказал, что «новая разработка успешно отрабатывает «тиристорный эффект» с высокой скоростью и без потери работоспособности устройства, подвергнутого губительному воздействию. На сегодня это самый оптимальный способ обеспечения радиационной защиты на российском космическом рынке».

 

Новые устройства уже внедряются в производство бортовой аппаратуры перспективных навигационных космических аппаратов и спутников дистанционного зондирования Земли будущих поколений, отметили в Роскосмосе.

Тиристорное устройство плавного пуска СПРИНТ-В-Т

Принцип работы устройства основан на базе силовых высоковольтных тиристорных модулей. УПП обеспечивает контроль подводимого к статорной обмотке двигателя напряжения и ограничение значения пускового тока электродвигателя за счёт постепенного уменьшения угла отпирания тиристоров. При этом происходит плавное нарастание тока электродвигателя до величины заданного токоограничения. Устройство позволяет уменьшить токи в динамических режимах при пуске и избежать ударных нагрузок на механизм.

Конструкция тиристорного устройства плавного пуска СПРИНТ-В-Т

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ


ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ
  • Снижение пусковых токов
  • Устранение просадки напряжения в питающей сети
  • Исключение гидравлических и пневматических ударов
  • Увеличение надежности электропривода
  • Автоматическое поддержание заданных технологических параметров
  • Увеличение срока службы электродвигателя


ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЯ
  • Снижение эксплуатационных и ремонтных затрат
  • Экономия энергетических ресурсов
  • Оптимизация технологических процессов
  • Интеграция к существующим системам автоматики

Конструктивно устройство плавного пуска тиристорного типа СПРИНТ-В-Т изготавливается в шкафном исполнении с односторонним обслуживанием, по требованию заказчика может быть выполнено в исполнении с двухсторонним обслуживанием. Система охлаждения силовой части — естественная воздушная. При необходимости шкаф может быть оснащен принудительной вентиляцией, системой подогрева, датчиком температуры и сигнализацией. Стандартная степень защиты шкафа IP 31, по требованию заказчика до IP 65. Оборудование поставляется готовым комплектом и полностью готово к подключению.


УПП включает в себя следующие компоненты:

1. Система управления: контроллер, сенсорный ЖК дисплей 10’, коммутационные модули
2. Система плавного пуска: высоковольтные тиристорные модули, линейный контактор, контактор bypass
3. Компоненты контроля и измерения данных
4. Высоковольтное распределительное устройство, включающее в себя: высоковольтный выключатель, высоковольтные предохранители, трансформаторы. Поставляется как дополнительное оборудование. 

Система управления

Основной контроллер, модуль сбора данных, модуль контроля, оптоволоконные соединения и встроенный программируемый логический контроллер образуют систему управления всего устройства. Основной контроллер имеет двойной DSP процессор и программируемое устройство VLSI.
При использовании двойного процессора обеспечивается точный процесс командования и управления. Система не только в реальном времени может отслеживать работу электродвигателя, устройства плавного пуска и внешнего питания, но так же выполняет различные функции защиты и управления. 
ЧМИ УПП – это большой жидкокристаллический дисплей 10’ с индивидуальной программой управления, на котором выводятся в реальном времени показания измеряемых координат, технологические установки, параметры настроек, коды ошибок, график пуска ЭД и пусковой ток.


Силовая часть 

Силовая часть устройства плавного пуска представлена тиристорным регулятором напряжения с фазовым управлением. Регулятор выполнен на базе высоковольтных тиристорных модулей, состоящих из двух встречно-параллельных тиристоров. Модули соединяются в последовательные фазные модульные группы для достижения требуемого рабочего напряжения. 
Силовая часть устройства имеет блочно-модульный принцип построения. Для удобства тиристорные модули каждой фазы установлены на выкатных тележках.
Управление тиристорами осуществляется по оптоволоконным помехозащищенным каналам.


КАК ЭТО РАБОТАЕТ: 

Система управления в первый момент пуска (или получая команду «Пуск») автоматически изменяет угол отпирания тиристоров, регулируя подводимое к статорной обмотке двигателя напряжение. В процессе выхода двигателя на рабочий режим, напряжение на клеммах электродвигателя плавно увеличивается от нуля до значения, необходимого для выхода электродвигателя на номинальную частоту вращения. При этом величина пускового тока плавно нарастает с заданным токоограничением, предотвращая возникновение токового скачка и удара.  При выходе электродвигателя на номинальную скорость вращения, пусковой ток уменьшается до значения, определяемой фактической нагрузкой двигателя. Электродвигатель через контактор байпас переходит на сеть. После пуска электродвигателя, устройство продолжает мониторинг за работой электродвигателя и выполняет защитные функции. При необходимости остановки электродвигателя, так же с помощью контроля напряжения на клеммной колодке электродвигателя, возможна плавная остановка электродвигателя. 

ТИПЫ ЗАЩИТЫ: 

Перегрузка по току
Устройство обладает повышенной способностью к перегрузкам по току. Время отключения при перегрузке в 420% номинального тока — 60 секунд при перегрузке в 550% -3 секунды
Защита от пониженного напряжения
Защита срабатывает, когда напряжение сети в течение заданного времени остается ниже установленного диапазона
Перенапряжение
Устройство плавного пуска отключается, если напряжение сети остается выше заданного уровня в течение установленного времени задержки
Защита от низкого тока
Защита срабатывает, если значение тока падает и остается ниже установленного значения в течение заданного периода времени
Превышение времени пуска
Защита срабатывает, если электродвигатель не достигает номинальной скорости вращения за заданный период времени. Стандартно диапазон времени пуска 0-60 сек. Опционно расширенный диапазон 0-180 сек
Защита от обрыва фаз
Если в главной цепи произойдет обрыв одной или двух фаз, по достижению заданного диапазона времени сработает защита. Есть возможность настройки функции «Автоперезапуска»
Дисбаланс токов
Защита отключает устройство при дисбалансе токов выше установленного значения в течение заданного периода времени
Контроль последовательности фаз
Электроника отключит УПП при попытке его включения с неправильной последовательностью фаз.
Превышение допустимого количества пусков
Настройки позволяют устанавливать до 4 (стандартно) и до 8 (по заказу) пусков в час. Если количество пусков превышает количество, заданное в настройках, то УПП не запустится
Защита от ошибки байпаса после пуска
После того, как электродвигатель достигает номинальной скорости вращения, срабатывает сигнал байпас, если в этот момент контактор байпас не сможет сработать, то срабатывает защита
Ток утечки на заземление
При превышении тока утечки на заземление выше предварительно задаваемого уровня на время более задаваемой задержки, срабатывает защита, размыкающая УПП
Неправильное подключение электродвигателя
При некорректном подключении электродвигателя к выходным клеммам либо при обнаружении обрыва в цепи обмоток внутри электродвигателя, электроника отключает УПП

Эффект от внедрения

В России защиту для космических спутников собрали из ненужных деталей

+ A —

Маленький датчик – разработка РКС – способен выявить негативное влияние радиации на приборы

Экономичное и универсальное устройство для защиты электронных бортовых систем спутников от воздействия космической радиации создали и испытали специалисты холдинга «Российские космические системы» (РКС). Небольшой прибор может обеспечить бесперебойную работу аппаратов экомониторинга, навигации, связи – от мини-спутников до межпланетных станций.

Как сообщили «МК» в РКС, развитие и усложнение аппаратуры для космоса закономерно повышает чувствительность приборов к радиации. Воздействие тяжелых заряженных частиц на электрические цепи спутника в течение нескольких миллисекунд способно привести к аномальному скачку напряжения и в итоге – к частичному или полному выгоранию бортовых устройств.

До последнего времени для защиты космических аппаратов от солнечной радиации специалисты использовали специальные защищенные и резервные микросхемы. Их установка – довольно дорогостоящий процесс, требующий также большого количества времени. В РКС выбрали нетривиальный путь решения проблемы – собрали из оставшихся от предыдущих изделий  высококачественных микроэлементов (именно они являются в защитных устройствах самым затратным звеном) сравнительно дешевый и оригинальный датчик размером 3х3 см. Он вставляется в электрические цепи бортовой аппаратуры и ведет непрерывный мониторинг электрического напряжения. Если возникает ситуация разрушающего  воздействия радиации, он оперативно проводит кратковременные отключения цепи продолжительностью от 5 микросекунд, спасая таким образом бортовую электронику от повреждения.

Специалисты провели уже четыре испытательные сессии устройства. Результаты тестов показали, что новая разработка успешно предотвращает так называемый «тиристорный эффект», который ведет к выгоранию датчиков от воздействия радиации.

Разработка инженеров абсолютно универсальна: может быть настроена под любой тип спутников.

Опубликован в газете «Московский комсомолец» №28670 от 22 ноября 2021

Заголовок в газете: Защиту для спутников собрали из ненужных деталей

Обнаружение эффекта тиристора имеет важное значение при тестировании модулей высокой мощности HBLED

Источник высокой мощности, измерительный прибор удовлетворяет потребности высокой мощности и разрешения при тестировании HBLED

BY DAVID WYBAN
Специалист по применению
Keithley Instruments
www.keithley.com

Тестирование мощных светодиодных модулей высокой яркости (HBLED) становится все более сложной задачей. Одной из важнейших функций характеристики является возможность определить, на какие модули влияет тиристорный эффект, чтобы их можно было отсортировать во время производственных испытаний.Эффект тиристора (или snapback) — это просто нежелательная емкость, включенная последовательно с переходом светодиода. Этот эффект проблематичен, потому что он вызывает задержку включения светодиода и требует более высокого напряжения включения светодиода, что не является желательным качеством. Для тех, кто производит светодиоды или конструирует их в свою продукцию, задержка включения является наиболее серьезной проблемой, поскольку создает нежелательные несоответствия в уровне светоотдачи, что можно рассматривать как затемнение или изменение цвета светодиода. световой поток по сравнению с выходом светодиодов, которые не проявляют этого эффекта.Требуемое более высокое напряжение включения светодиода означает, что мощность тратится впустую (умножение тока на напряжение равно мощности, поэтому требование более высокого напряжения для достижения того же тока равно большей мощности). Учитывая, что ток подается на светодиод в виде импульсов, светодиод включается и выключается сотни или тысячи раз в секунду, поэтому совокупное количество потерянной мощности из-за тиристорного эффекта может быть весьма значительным.

Краткое описание элементов модуля высокой мощности HBLED может быть полезным для понимания того, что необходимо для проверки тиристорного эффекта.HBLED обычно определяются как светодиоды, которые работают с мощностью 1 Вт или более, но HBLED обычно работают с мощностью от 2 до 3 Вт и работают от тока от 300 мА до 1 А, поступающего через провода большого сечения. Их часто монтируют на небольшой теплопроводной плате, предназначенной для отвода тепла от перехода светодиода. Несмотря на их относительно высокую яркость, отдельные HBLED недостаточно яркие для использования в большинстве приложений освещения. Вместо этого несколько HBLED обычно объединяют для создания единого светильника, например, светодиодной лампочки для модернизации или всего осветительного прибора.Это хорошо работает в большинстве приложений, потому что желательно, чтобы свет распространялся в нескольких направлениях, а размер светильника обеспечивает достаточно места для нескольких HBLED.

Однако этот подход не подходит для приложений, где пространство ограничено и/или если свет должен быть направленным. Потребность в большом количестве света в небольшом корпусе привела к разработке светодиодных модулей высокой мощности, которые состоят из одного или нескольких светодиодов высокой яркости с большими кристаллами. При наличии нескольких кристаллов они могут быть подключены либо параллельно, либо последовательно, в зависимости от применения.Кристалл этих светодиодов намного больше, чем кристалл типичных HBLED, и также может выдерживать гораздо большие токи. Один кристалл часто должен выдерживать токи 10 А и более. Эти высокие уровни тока требуют способности рассеивать много тепла. Рабочие температуры для этих модулей обычно достигают 140 ° C, поэтому они обычно изготавливаются на толстой плате с медным сердечником или другом теплопроводном материале для отвода тепла от перехода светодиода. Плата или другой материал сопрягается с радиатором соответствующего размера.

Современные высокомощные модули HBLED обеспечивают уровни мощности постоянного тока, приближающиеся к 100 Вт. Обычно они работают в импульсном режиме, при котором импульсная мощность обычно превышает 100 Вт. Эти импульсные характеристики также обычно имеют высокие рабочие циклы, равные 50 процентам. Из-за высокой мощности современных светодиодных модулей и компонентов любой производственный дефект, приводящий к увеличению энергопотребления, вызывает особую озабоченность.

Эффект тиристора (или snapback) может влиять на все светодиоды, а не только на модули HBLED высокой мощности.Тиристор — это просто нежелательная емкость, включенная последовательно с переходом светодиода. Когда светодиод имеет тиристор, для заданного прямого тока (I F ) измеренное прямое напряжение (V F ) будет представлять собой напряжение на переходе светодиода плюс напряжение на нежелательном конденсаторе (V F = V Светодиод + V Конденсатор ). На графике зависимости прямого напряжения от прямого тока дополнительное напряжение от емкости проявляется в виде излома на кривой (рис.1 ). Здесь нормальная кривая V F – I F светодиода, не проявляющего тиристорного эффекта, показана черным цветом; оранжевая кривая показывает кривую V F – I F светодиода без тиристорного эффекта.

Рис. 1: Эффект тиристора проявляется в виде изгиба на кривой VF-IF светодиода .

Светодиоды

, демонстрирующие тиристорный эффект, будут иметь более высокое прямое напряжение, чем ожидается для данного прямого тока, по сравнению со светодиодом, который его не проявляет.Однако их обнаружение может быть затруднено, поскольку тиристоры имеют тенденцию заряжаться, а затем быстро разрушаться, когда ток подается на светодиод. Если используемое испытательное оборудование не способно измерить прямое напряжение, как только импульс тока установится на своем пике, легко полностью пропустить наличие тиристорного эффекта.

Эффекты тиристоров зависят от температуры; они более выражены при более низких температурах, поскольку снижение теплового возбуждения затрудняет преодоление емкостного барьера.Кроме того, на тиристоры влияет окружающий свет, а емкостной барьер легко преодолевается фотовозбуждением. Следовательно, проще всего обнаружить тиристорный эффект, когда светодиод холодный и помещен в темное место.

Еще больше усложняет ситуацию то, что тиристорные эффекты просто не проявляются на всех уровнях тока. Вместо этого они наиболее заметны только при определенных уровнях тока, поэтому практически невозможно найти их при однократных измерениях. Однако оборудование, позволяющее регистрировать полную форму сигнала, позволяет наблюдать заряд, а затем пробой тиристора, что проявляется в виде выброса напряжения на кривой напряжения.Если появляется перерегулирование более 0,1 В, это, вероятно, связано с эффектом тиристора ( рис. 2 ).

Рис. 2: Значительный скачок напряжения указывает на наличие тиристорного эффекта .

Существует несколько вариантов приборов для захвата формы сигнала для обнаружения тиристорного эффекта. Хотя наиболее распространенные способы включают использование осциллографа или высокоскоростного устройства сбора данных, конкретная модель любого из них может не обеспечивать достаточное разрешение для обнаружения кратковременных событий.Напротив, тесно интегрированный источник питания и измерительный прибор высокой мощности способен удовлетворить требования приложения как к высокой мощности, так и к высокому разрешению. Например, прибор Keithley Model 2651A High Power System SourceMeter Source Measure Unit (SMU) (, рис. 3, ) включает в себя 18-разрядный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, способный оцифровывать сигнал со скоростью одна мегавыборка в секунду. Преимущество этого решения также в том, что он позволяет выполнять анализ формы сигнала прямо на самом приборе с помощью встроенного в прибор тестового сценария.Это позволяет идентифицировать светодиод с тиристорным эффектом без необходимости использования внешнего контроллера.

Рис. 3: Измеритель источника высокой мощности модели 2651A предназначен для определения характеристик и тестирования мощных электронных устройств и компонентов, включая мощные модули HBLED .

    Чтобы узнать больше об этих устройствах и о том, как их тестировать, см. веб-семинар автора на эту тему . Удовлетворение требований к электрическим измерениям светодиодов высокой мощности и высокой яркости.

Узнайте больше о Keithley Instruments

Однофазный тиристорный выпрямитель | Плексим

Принцип работы

Однофазный тиристорный выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное на выходе. Поток мощности является двунаправленным между стороной переменного и постоянного тока. Работа схемы зависит от состояния источника переменного тока и угла открытия α двухимпульсного генератора. Индуктивность источника L s для простоты пренебрегается.

  • α = 0°: Когда угол открытия тиристоров равен нулю, данная схема сводится к диодному выпрямителю с индуктивной нагрузкой.
  • 0° < α < 90°: Угол открытия больше нуля означает, что тиристор также будет иметь положительное напряжение блокировки. Это приводит к отрицательному напряжению постоянного тока, а также к меньшему среднему напряжению нагрузки В нагрузка = 0,9 · В с, среднеквадратичное значение · cos(α).
  • 90° < α < 180°: Схема находится в инверторном режиме, при этом мощность передается от постоянного тока к стороне переменного тока.

Влияние катушки индуктивности источника L

с и напряжения нагрузки В нагрузки
  • Как и в случае однофазного диодного выпрямителя, индуктивность источника L с больше нуля приводит к интервалу коммутации тока между парами тиристоров T 1 /T 2 и T 3 /T 4 . Этот интервал увеличивает угол открытия тиристора α и приводит к дальнейшему снижению среднего напряжения на нагрузке.
  • При увеличении напряжения нагрузки ток через дроссель уменьшается.Как и в случае преобразователей постоянного тока, в установившемся режиме считается, что схема работает в режиме прерывистой проводимости, если ток через L d достигает нуля, и в режиме непрерывной проводимости, если ток никогда не достигает нуля.

Эксперименты

  • Установите индуктивность сетки и угол открытия тиристора α равными нулю и выполните анализ установившегося состояния. Убедитесь, что результаты точно соответствуют результатам, полученным для диодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой и индуктивностью источника L с = 0 Гн.
  • Установите L = 100 мкГн, α = 45° и V load = 150 В. Обратите внимание, как ток нагрузки достигает нуля во время установившегося режима работы – теперь преобразователь работает в режиме прерывистой проводимости.
  • Убедитесь, что при увеличении угла открытия α>45° и индуктивности источника L с >100 мкГн выходное напряжение уменьшается.

Падение напряжения на тиристорах во включенном состоянии

‘) переменная голова = документ.getElementsByTagName(«голова»)[0] var script = document.createElement(«сценарий») script.type = «текст/javascript» script.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-52d08dec1e.js» script.id = «ecommerce-scripts-» ​​+ метка времени head.appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») документ.querySelector(«#ecommerce-scripts-» ​​+ timestamp).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { toggle.setAttribute(«роль», «кнопка») toggle.setAttribute(«tabindex», «0») переключать.addEventListener(«щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаOption.classList.add(«расширенный») } еще { покупкаOption.classList.удалить («расширить») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = window.fetch && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Buybox : ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Модальный: ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) функция закрыть () { form.querySelector(«кнопка[тип=отправить]»).фокус() } вар корзинаURL = «/корзина» var cartModalURL = «/cart?messageOnly=1» форма.установить атрибут ( «действие», formAction.replace(cartURL, cartModalURL) ) var formSubmit = Buybox.interceptFormSubmit( Buybox.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), функция () { форма.removeEventListener («отправить», formSubmit, false) форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartModalURL, cartURL) ) форма.отправить() } ) form.addEventListener («отправить», formSubmit, ложь) документ.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { document.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { if (document.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { мероприятие.предотвратить по умолчанию () документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { вар buyboxWidth = buybox.offsetWidth ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») вар форма = вариант.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (buyboxWidth > 480) { переключить.щелчок() } еще { если (индекс === 0) { переключить.щелчок() } еще { toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») форма.скрытый = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })()

Влияние ветряных электростанций и конденсаторов с тиристорной коммутацией на неисправную сеть | Гейди

[1] Рой, Н.К., Пота, Х.Р., Анвар, А., «Новый подход к размещению генераторных генераторов ветровой и солнечной энергии в распределительных сетях для повышения стабильности систем», Международная конференция IEEE по энергетике и оптимизации, Мелака, 2012 г., 6: 296-301.

[2] Гейди, М., Фархади, П., Багери. С., Гематизаде А., «Влияние ветряной электростанции и последовательных конденсаторов с тиристорной коммутацией на напряжение, активную и реактивную мощность в нормальном состоянии сети», 10-й Международный симпозиум по передовым темам в электротехнике (ATEE), 2017 г., 23- 25.

[3] Рахими, Ф., Ипакчи, А. «Реакция спроса как рыночный ресурс в парадигме интеллектуальной сети», IEEE Transaction on Smart Grid, 2010, 1(1): 82-88.

[4] Атанасоваки М., Талески Р., «Метод суммирования энергии для распределения потерь в радиальных распределительных сетях с распределенными генераторами», IEEE Transaction on Power Systems, 2012, 27(3): 1433-1440.

[5] Тукарам Д., Дженкинс Л., Висакха К. «Оптимальное распределение реактивной мощности для повышения стабильности напряжения в энергосистемах постоянного и переменного тока», IEEE Proceedings Generation, Transmission and Distribution, 2006, 153(2) : 237-246.

[6] Zhilhunan Li, Begovic, MM, Xianzhong Duan «Планирование реактивной мощности с использованием двухуровневого оптимизатора на основе многообъектных алгоритмов», 15-я Международная конференция по интеллектуальным системным приложениям для энергетических систем, 2009 г., 8-12: 1-6 .

[7] Yurong Wang, Fangxing Li, Qiulan Wan, Hao Chen «Планирование реактивной мощности на основе нечеткой кластеризации, кода Грея и имитации отжига», IEEE Transactions on Power Systems, 2011, 26(4): 2246-2255.

[8] Кумар К.В., Селван М.П. «Планирование и работа распределенных генераторов в распределительных системах для улучшения профиля напряжения», Конференция и выставка IEEE/PEs Power Systems, 2009 г., 15-18: 1-7.

[9] Jihong Li, Hongyang Huang, Boliang Lou, Yan Peng, Qinxin Huang, Kia Xia, «Стратегия управления реактивной мощностью и напряжением ветряных электростанций на основе адаптивной оптимизации роя дискретных бинарных частиц», IEEE Asia Power and Energy Engineering Conference, 2019 г., 2019, 29-31.

[10] Qiang Fan, Xiankui Wen, Meimei Xu, Chenghui Lin, Wie Gu, Wenixa Liu, Yongsheng Feng, «Исследование и анализ имитационного моделирования переходной устойчивости доступа к энергии ветра в региональной сети», 2018 2nd IEEE Advanced Information Management, Communicates , Конференция «Электроника и автоматика», 2018, 25-27.

[11] Лю, М.Б., Канисарес, К.А., Хуанг, В. «Управление реактивной мощностью и напряжением в распределительных системах с ограниченными операциями переключения», IEEE Transactions on Power Systems, 2009, 24(2): 889-899.

[12] Хао Ван, Хуйлан Цзян, Ке Сюй, Годун Ли, «Оптимизация реактивной мощности энергосистемы на основе улучшенной оптимизации роя частиц», 4-я Международная реструктуризация электроэнергетики, дерегулирование и энергетические технологии, 2011: 606-609,

[13] Гелен, А., Ялсионоз, Т. «Поведение конденсатора с тиристорным переключением (TSC), установленного в системе с бесконечной шиной», IEEE Eurocon 2009: 614-617.

[14] Zhang Jianhue, Dia Guanping, Xiao Gang, Zhao Jie «Проектирование системы управления для конденсаторных устройств с тиристорной коммутацией», Конференция и выставка IEEE Pes Transmission and Distribution, 2003: 606-610.

[15] Рамеш, Л., Мадхусудханараджу, М. М. Чоудхури, С.П., Чоудхури, С., «Улучшение профиля напряжения с помощью системы распределения высокого напряжения», Международная конференция по устойчивой энергетике и интеллектуальным системам, 2011: 468-473.

[16] Сикиру, Т.Х., Джимох, А.А., Хамам, Ю., Эйджи, Дж.Т. «Шестая латиноамериканская конференция и выставка 2012 г., передача и распространение», 2012 г., стр. 1–5.

[17] Алхаджри, М.F, El-Hawary, ME «Улучшение профиля напряжения распределительных сетей с использованием нескольких источников распределения электроэнергии», Конференция по крупным инженерным системам по энергетике, 2007 г.: 295-299.

[18] Блобьерг, Ф., Ке Ма, «Будущее силовой электроники для систем ветряных турбин», Журнал IEEE по новым и избранным темам в силовой электронике, 2013 г., 1 (3): 139-152.

[19] Д’Аннунцио, К., Сантосо, С. «Анализ и моделирование надежности генерации ветряных турбин», Собрание IEEE Power Engineering Society, Сан-Франциско, Калифорния, США, 2005: 35-39.

ECSTUFF4U для инженера-электронщика

Все мы знаем, что такое тиристор и что такое MOSFET. Основное различие между тиристором и MOSFET заключается в том, что тиристор, называемый SCR, представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с четырьмя чередующимися материалами P и N-типа, в то время как MOSFET представляет собой полевой транзистор на основе металла и чаще всего изготавливается путем контролируемого окисления. со стороны кремния.Так что здесь эта статья дает информацию о разнице между тиристором и MOSFET, чтобы узнать об этом подробнее.

  • В тиристорном мажоритарном устройстве с током низкая скорость переключения низкое активное входное сопротивление, в то время как в MOSFET основном несущем устройстве устройство с управлением напряжением высокая скорость переключения чисто емкостное высокое входное сопротивление.
  • Тиристор имеет только один импульс для включения, но MOSFET не имеет постоянного тока, необходимого для поддержания проводимости, кроме как во время включения и выключения.
  • Тиристор можно легко соединить последовательно со схемой выравнивания напряжения, тогда как последовательное соединение MOSFET со схемой выравнивания напряжения затруднительно.
  • Тиристор может быть включен параллельно со схемой принудительного разделения тока, в то время как MOSFET может быть легко включен параллельно из-за положительного температурного коэффициента сопротивления устройства.
  • Тиристор менее чувствителен к температуре, второго пробоя нет, а у полевого МОП-транзистора слишком большая чувствительность к температуре, меньше подвержен второму пробою.
  • Тиристор имеет наиболее надежное устройство, MOSFET имеет менее надежное устройство.
  • Тиристор имеет высоковольтное, а также сильноточное устройство, в то время как MOSFET имеет сильноточное устройство среднего напряжения .
  • Тиристор имеет низкое падение напряжения на каскаде, MOSFET имеет высокое падение напряжения на каскаде.

Все мы знаем, что такое тиристор и что такое MOSFET. Основное различие между тиристором и MOSFET заключается в том, что тиристор, называемый SCR, представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с четырьмя чередующимися материалами P и N-типа, в то время как MOSFET представляет собой полевой транзистор на основе металла и чаще всего изготавливается путем контролируемого окисления. со стороны кремния.Так что здесь эта статья дает информацию о разнице между тиристором и MOSFET, чтобы узнать об этом подробнее.

  • В тиристорном мажоритарном устройстве с током низкая скорость переключения низкое активное входное сопротивление, в то время как в MOSFET основном несущем устройстве устройство с управлением напряжением высокая скорость переключения чисто емкостное высокое входное сопротивление.
  • Тиристор имеет только один импульс для включения, но MOSFET не имеет постоянного тока, необходимого для поддержания проводимости, кроме как во время включения и выключения.
  • Тиристор можно легко соединить последовательно со схемой выравнивания напряжения, тогда как последовательное соединение MOSFET со схемой выравнивания напряжения затруднительно.
  • Тиристор может быть включен параллельно со схемой принудительного разделения тока, в то время как MOSFET может быть легко включен параллельно из-за положительного температурного коэффициента сопротивления устройства.
  • Тиристор менее чувствителен к температуре, второго пробоя нет, а у полевого МОП-транзистора слишком большая чувствительность к температуре, меньше подвержен второму пробою.
  • Тиристор имеет наиболее надежное устройство, MOSFET имеет менее надежное устройство.
  • Тиристор имеет высоковольтное, а также сильноточное устройство, в то время как MOSFET имеет сильноточное устройство среднего напряжения .
  • Тиристор имеет низкое падение напряжения на каскаде, MOSFET имеет высокое падение напряжения на каскаде.

Эффект паразитной индуктивности и защита в тиристорных цепях GTO переключающее устройство первого выбора в преобразователях высокой мощности для таких приложений, как источники бесперебойного питания, преобразователи частоты, а также переменный ток и некоторые переменные скорости постоянного тока моторные приводы.Особенности работы этих устройств в обычной схеме изучаются конфигурации. Первое описание физического поведения и рабочих характеристик тиристора GTO. и подтвержден измерениями при токах выключения до 600А на специальном построена тестовая схема. Отсюда видно, что из-за чрезвычайно быстрых темпов падение анодного тока при выключении, эффекты перенапряжения, вызванные паразитными цепями индуктивности очень опасны для устройства, поэтому необходимо эффективное демпфирование.Подробное исследование этих эффектов паразитной индуктивности в сконструированном прерывателе постоянного тока и Н-мосте. Схема инвертора следующая. Схемы смоделированы так, чтобы включать эти рассеяния, с соответствующий математический анализ и компьютерное моделирование, чтобы определить, какие Индуктивность больше всего влияет на напряжение тиристора GTO. Различные схемы переключения рассматриваются для H-моста, чтобы обеспечить квазиквадратичные и различные формы выходного напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и подробные пути передачи тока в различных схемных устройствах и снабберах компоненты определены и математически проанализированы в каждом случае.Практичное переключение продемонстрированы эффекты обратного восстановления диода и несоответствия времени переключения GTO выявлены возможные повреждающие условия. Все аналитические и расчетные результаты подтверждаются экспериментальными измерениями. Тиристор GTO будет поврежден при попытке отключить перегрузку по току, и необходима удовлетворительная защита от этого. Обычный сплав обычно недостаточно, и лучшим методом является использование быстрой активной системы, использующей либо лом и предохранитель, или быстрое прямое отключение ворот.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.