טכנולוגיית הלוויין בעשרות השנים האחרונות עברה שיפור במספר תחומים. אחד מן התחומים שהושפעו הוא התקדמות מגברי הספק הממומשים באמצעות מולכים למחצה.
מוליכים למחצה רחבי פס כמו גליום ניטריד (GaN) וסיליקון קרביד (SiC) מבטיחים ביותר עבור רכיבים אלקטרוניים עתידים. מוליכי מחצה אלו מציעים יתרונות כמו אמינות, פעולה בטמפרטורה גבוהה, פעולה בתדר גבוה, חוסר רגישות לקרינה ופעולה בצפיפות הספק גבוהות.
כיום עבור לוויינים מעוניינים במגברי הספק עם נצילות גבוהה ואמינות מרבית, למטרה זו השתמשו בשפופרות Klystrons ו-(TWT- Travelling Wave Tube). במערכות מכ”ם ומערכות אנרגיה מכוונת נגד איומים שונים זקוקים להספק מאוד גבוה, במערכות אלו המולכים למחצה רחבי פס יכולים להועיל. לוויינים, חלליות, מערכות תקשורת ומערכות מכ”ם ממנפות את יתרונות ה-GaN. מאמר זה מציג את יתרונות ה- GaNעבור מגברי הספק לעומת שפופרות TWT, שהמשקל והנפח של השפופרות גדול משל GaN שהוא אמין יותר.
1.היתרונות של GaN עבור מגברי הספק בתחום המיקרוגל
גליום ניטריד הוא מוליך למחצה של פס רחב המשמש לטרנזיסטורים בעלי יעילות גבוהה ומעגלים משולבים. טרנזיסטורים בעלי ניידות אלקטרונים גבוהה מבוססי GaN עדיפים על התקנים מבוססי סיליקון במונחים של תדר מיתוג, דירוג הספק, יכולת תרמית ויעילות, שהם גורמים מכריעים לשיפור הביצועים של מגברי הספק. תרכובת GaN נוצרת על ידי אטומי גליום וחנקן המסודרים במבנה גבישי וורציט (Wurzite).
גליום ניטריד יציב מבחינה מכנית ויכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות בגלל היציבות הכימית הגבוהה של המבנה הגבישי. טכנולוגיית GaN יכולה להתמודד עם שדות חשמליים גדולים יותר בהרבה מסיליקון רגיל תוך מיתוג מהיר יותר באופן משמעותי ולפעול בטמפרטורות מקסימליות גבוהות יותר. יתר על כן, GaN גובר בחשיבותו בגלל היכולת להציע ביצועים משופרים באופן משמעותי במגוון רחב של יישומים תוך חיסכון באנרגיה והמרחב הפיזי הדרושים להספקת הספקים גבוהים. מבנה של ה-GaN מתחיל בשכבה של סיליקון בשביל תשתית, מגדלים שכבה דקה של (AlN – Aluminum Nitride) על הסיליקון כדי לבודד את הבסיס מהתשתית, ומעל שיכבה עבה של GaN עמיד מאוד המספקת בסיס לבניית טרנזיסטור ה-GaN. על מנת שה-GaN יוכל להחזיק מתחים גדולים מרחיקים בין ה-Drain ל-Gate דבר הגורם להגדלת התנגדות אך באופן פחות משמעותי מאשר במגברים אחרים כדוגמת ה- MOSFET.
איור 1 :חתך רוחב של מבנה טרנזיסטור GaN . מקור: חברת EPC [4]
טבלה 1 :אופייניים מולכים למחצה מסוג סיליקון, סיליקון קרביד וגליום ניטריד
- מגברי הספק בנצילות גבוהה
במגברי הספק יש מאפיינים ויישומים שונים. ישנם מאפיינים עיקריים המגדירים כל מגבר: הנצילות, זווית הולכה ואמינות. בהתבסס על מאפיינים אלה, אנשי מקצוע בתחום האלקטרוניקה יכולים להשתמש במגברים אלה בתצורות הבאות:
Class C, Class B, Class A ו-Class AB במגברי הספק Class D ו-Class E
מגבר Class AB – הוא שילוב של מגברים מסוג Class A ו- Class B בעקבות שבמגבר הספק Class A יש בעיית נצילות נמוכה ובמגבר הספק Class B יש בעיית עיוות. מגבר הספק Class AB ממומש על ידי PUSH PULL כדי לשחזר את צורת הגל המבוא במוצא, נקודת ההפעלה של המגבר נמצאת באזור הסף הליניארי. זווית ההולכה של מגבר הספק Class ABהיא בין 180° ל-360° והנצילות המרבית הינה 78.5%, אך באופן מעשי מגיעה רק ל-50% עד 60%.
מגבר הספק Class C – הוא מגבר הספק אשר נמצא בשימושים רבים בשל נצילותו הגבוהה. המגבר מוליך בחצי המחזור החיובי של אות המבוא, ולכן סובל מחוסר ליניאריות.
זוויות ההולכה של מגבר הספק Class Cקטנות מ-180°. הנצילות המקסימלית שמתקבל במגבר הינה 90%, אבל עובדים בנצילות נמוכה באופן משמעותי כדי למנוע עיוותים של אותות התקשורת המשודרים למרות שפזורי חום גבוהים גורמים לצורך בקירור המגבר.
במגברי -GaN למטרות תקשורת בהספקים גבוהים יש להסתפק ב נצילות נמוכה כדי לשמור על לינאריות ולמנוע עיוותים של האותות המשודרים ויש לעבוד ב Class AB, B.
לעומת זאת במגברי אנרגיה מכוונת על מנת להימנע מבעיות טרמיות ב-הספקים גבוהים נדרש לעבוד בנצילות הגבוהה ביותר על ידי השימוש ב Class D ו-Class E.
מגבר הספק Class D – הוא אחד מיני סוגים של תצורות מגברים עבור מערכות שאינן מעבירות מידע לתקשורת , שנמצאים בשימוש בגלל הפשטות והקלות שלהם ומשומש כמעט בכל יישום.
בעבר נעשה שימוש במגברים מסוג Class D רק במספר מוגבל של יישומים, כמו בקרת מנוע.
כמו כן, קשה ליצור אותות איכותיים הנדרשים ליישומי שמע עם מגבר Class D.
ישנם יתרונות רבים לשימוש במגברים מסוג D עבור יישומים כמו אנרגיה מכוונת, ומספר החסרונות הולך ומצטמצם עם התקדמות הטכנולוגיה. במגבר הספק Class D הנצילות מגיעה ל-90%. ישנם כיום שימושים במגבר מסוג זה במעגלי מיתוג ומגברי פולסים.
מגבר הספק Class E – הוא מגבר הספק למיתוג בעל נצילות גבוהה ביותר.
באופן תיאורטי, במגבר הספק מסוג Class E ניתן להשיג נצילות גבוהה של קרוב ל- 100%.
המגבר תוכנן כך שעל ידי הפעלת מיתוג מתח אפס (ZVS – Zero Voltage Switching) או הפעלת מיתוג נגזרת מתח אפס
(ZVDS – Zero Voltage Derivative Switching) ממזער את איבוד ההספק במתג. לא ניתן להשתמש בו עבור העברת תקשורת אבל יכול להביא תועלת במערכות אנרגיה מכוונת (DEW – Directed Energy Weapon) במיוחד עבור מגברי GaN.
טבלה 2 :תכונות עבור מגברי הספק
בהשוואת הלינאריות בין המגברים, מגבר Class A הוא בעל הלינאריות הגבוהה ביותר העיוות הנמוך ביותר ונצילות ההספק הנמוכה ביותר. מגבר Class B בעל לינאריות נמוכה יותר ממגבר Class B ויש לו עיוות קטן עד בינוני וכדי להגדיל את הלינאריות ניתן להשתמש בתוצרת PUSH PULL, מגבר Class C בעל הלינאריות הדלה ביותר והעיוות הגבוה ביותר מבין המגברים
- השוואה בין מגברי שפופרת TWT ו מוליכים למחצה-GaN
מגבר שפופרת מסוג TWT היא כיום הטכנולוגיה העיקרית עבור מגברי הספק לתקשורת בלוויינים.
ה-TWT היא שפופרת אלקטרונית המורכבת מתותח אלקטרונים, מבנה גל איטי
(SWS – Slow Wave Structure), מערכת מיקוד מגנטי, מצמדי מבוא ומוצא RF וקולט. בעת חיבור מתח הפעלה, תותח האלקטרונים יוצר קרן אלקטרונים, המוזרקת לתוך מבנה הגל האיטי. מערכת המיקוד המגנטי מגבילה את קרן האלקטרונים, ומאפשרת לה לנוע לאורך מרכז מבנה הגל האיטי. הספק RF בעל תדר מתאים מועבר דרך מצמד המבוא לתוך מבנה הגל האיטי. קרן האלקטרונים ואות ה-RF עוברים דרך המבנה במהירויות דומות, והאינטראקציה בין השניים גורמת למעבר אנרגיה מקרן האלקטרונים אל הגל האלקטרו-מגנטי, ויוצרת על-ידי כך הגברה של אות ה-RF.
מגברי השפופרות מייצרים הספק גבוה בתחומי תדרי המיקרוגל, אך הגודל המשקל הגדולים ואורך החיים הקצר לעומת מוליכי למחצה מהווה אתגרים. כ-50% מסך ההספק הנצרך על די TWT מומר לאנרגיית RF, והשאר הנותרים מומר לחום ופסולת. זמן החיים של TWT תלויים בחיי הקתודה אשר מתדרדר עם הזמן לפליטת אלקטרונים מתמשכת. ה-TWTs מגבירים אותות RF על ידי שיטה להפקת הספק פלט גבוה באמצעות האינטראקציה בין אלומות אלקטרונים לאות RF.
התקן GaN אינו מסוגל לספק את אותו הספק מוצא כמו מגבר TWT אך ניתן לשלב מספר התקני GaN. יתר על כן, GaN פועל בנצילות גבוהה יותר, נצרך פחות הספק ופחות חום מתפזר בהתקן וגורם לכך הפחתה בצורך בקירור לעומת מגברי TWT. יתרון נוסף ל-GaN יש אמינות גבוהה יותר ממגברי TWT, אמינות גבוהה מגדילה את אורך החיים ובצורה כזו מפחיתה את עלויות התפעול.
איור 2 :שימוש באנרגיה מכוונת. מקור: 10
בנוסף, ניתן לבנות עם התקני GaN מגברים לינאריים המציעים יותר נצילות מאשר מגברי TWT וגם מגברי GaAs באותו גודל, משקל וצריכת חשמל. המשמעות של צריכת חשמל נמוכה יותר פירושה ספקי כוח קטנים יותר ומערכות קירור קטנות וקלות יותר, מקטינות את גודל והמשקל של (SSPA – Solid State Power Amplifier). לכן, ישנה עניין גובר להשתמש במגברי GaN מכיוון שהוא מציע צפיפות הספק גבוהה יותר ומתחי הפעלה גבוהים יותר שמגדלים את הנצילות של דרגת המגבר.
- יישומי GaN בתחום תדרי RF
בשנים האחרונות ניתן לראות את הקטנת השימוש של שפופרות ריק אלקטרונית נפוצות ביותר בישומי רדאר בהן Magnetrons, Klystrons, TWT ו-Gyrotrons. שפופרות ריק הם מרכיב קריטי שמאפשר תקשורת לוויינית, מערכות מכ”ם, מאיצי חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה ויישומים אחרים הדורשים הספק גבוה, רוחב פס פעולה רחב, ויעילות גבוהה. אבל ניתן באמצעות מוליכים למחצה במיוחד GaN לשפר את אורך חיים, האמינות, נצילות, הפחתת גודל המגבר והמשקל.
כמו כן, השימוש מגברי GaN גדל ומשתמשים בו כיום במגוון יישומי RF, השקת תשתית אלחוטית עם RADAR צבאי ולוחמה אלקטרונית (EW) . מערכות המכ”ם הצבאי והלוחמה האלקטרונית כולל DEW כיום הינם הצורכות הגדולות ביותר של התקני GaN במגזר הביטחוני.
מכ”ם, לוחמה אלקטרונית ומערכות תקשורת משתמשות בטכנולוגיית GaN כדי לעמוד בדרישות מחמירות של ביצועים גבוהים, הספק גבוה, ניהול תרמי ומחזור חיים ארוך. יישומים רבים כגון תקשורת רחבת פס השתפרו באמצעות טכנולוגייתGaN.
דוגמה נוספת שבמערכות מכ”ם נדרש רוחב פס רחב יותר והספק פעולה גדול יותר. ל-GaN יש יתרון ברור במכ”ם קצר דופק, בעקבות צפיפות ההספק הגבוהה יותר, יעילות הניקוז ועיוות ה-am/pm הנמוך יותר ב-GaN שמפגין ביצועים טובים יותר מאשר שפופרות אלקטרוניות.
כמו מערכות מכ”ם, יישומי EW משתמשות ביתרונות ש-GaN מציע.
רוב מערכות ה-EW הן בפס רחב מאוד, שדורשות כמויות גבוהות של הספק מוצא RF.
כמו כן, צפיפות ההספק הגבוהה של מגברים מבוססי GaN המאפשרות פעילות יעילה ומערכות נשק אנרגיה מכוונת DEW, להגנת מרחפניים ואולי מטילים באמצעות שיבוש מערכות הניווט באמצעות מיקרוגל בהספק גבוה HPM כפי שמוצג באיור 2.
- יישומי GaN
עבור מערכות חלל
ספקי כוח ליישומי חלל חייבים לעמוד במגבלות גודל ומשקל קפדניות תוך טיפול בסביבת החלל, ה-GaN מטבעו חסין יותר לקרינה ממוליכים למחצה אחרים, תכונה זו היא מרכזית של טרנזיסטורים GaN המשמשים במערכות חלל. ל-GaN יש גם יתרונות EMI המאפשר לקבל מזער עיוותים עם נצילות הספק גבוהה יותר במערכות תקשורת.
■ לוויינים קטנים – (Smallsats) פועלים במסלול נמוך של כדור הארץ LEO ויכולים לספק אינטרנט בעלות נמוכה ברחבי העולם. ל-GaN יש כמה מאפיינים מיוחדים שהופכים אותם לאטרקטיביים עבור לוויינים קטנים, כמו סבילות לקרינה, מהירות מיתוג, נצילות הספק שמוביל לספקי כוח קטנים וקלים יותר.
■ פאנלים סולאריים – אחת מן הדרכים כיום להנעת לוויינים היא על ידי פאנלים סולאריים.
הפאנלים הסולאריים אוספים את אנרגית השמש ומאחסנים אותה במצברים.
ניתן על ידי מגברי GaN להמיר את תפוקת הפנל הסולארי לטעינת המצברים ולהפעיל את מערכות חשמל אחרות בחללית.
■ Rad Hard GaN – חסינות נגד קרינה Rad Hard קיימת עבור רכיבים אלקטרוניים מייחודים שתוכננו לכך שיהיו חסינים בפני החשיפה המזיקה של קרינה וטמפרטורות קיצוניות החשופות לקרינה, כגון חלל.
Rad hard GaN מאפשר אספקת חשמל קטנה יותר, קלה יותר ויעילה יותר למערכת כמו מדחף יונים שהוא סוג של הנעה חשמלית המשמשת להנעת חללית במשימה עם שימושים כגון התמצאות ומיקום של לוויינים והנעה בין-כוכבית של כלי רכב רובוטיים שישתמשו בהם בעתיד. גם במערכות LIDAR משתמשים כיום במגברי GaN שמספקות את ה”עיניים” לניווט אוטונומי ועגינה למשימות מפגש ורובוטיקה המשמשת בחלל.
במערכות חלל ואחרות בנוסף לGaN מתחילים להשתמש כיום במגברי SiC.
תכונות ה-SiC הוצגו בטבלה 1 שהם בעלי פוטנציאל גבוה אבל תכונות המגברים והשואה עם מגברי GaN יחקרו בהמשך.
סיכום
במאמר זה הוצגו מגברי הספק GaN המותאמים למערכות חלל לוויינים וחלליות, המאופיינים בגודל ומשקל נמוכים אמינות ולינאריות גבוהה, חסינות לקרינה ועמידות תרמית טובים יותר משל מגברים אחרים כולל מגברי שפופרות TWT. התקן GaN עדיין אינו מסוגל לספק את אותו הספק מוצא כמו מגבר TWT אך ניתן לשלב מספר התקני GaN למגבר אחד. כמו כן, GaN פועל בנצילות גבוהה יותר, וצורך פחות הספק. יתר על כן, הוצגו היתרונות של מגברי GaN עבור לוויינים, חלליות ומערכות תקשורת, לוחמה אלקטרונית, מערכות מכ”ם ומערכות אנרגיה מכוונת מסוג מיקרוגל בהספק גבוה HPM להגנה מרחפנים ואולי מטילים אפוא שמגברי ההספק הפועלים ב CLASS D או E הממנפות את יתרונות ה- GaN עבור ביצועים של רכיבי RF. יש לחקור פיתוחים חדשים עבור אפשרויות מגברי GaN שיגרום להגדלת היכולת לפעול בתדרי פעולה גבוהים יותר וגם באפשרות שימוש במגברי SiC.
ביבליוגרפיה
[1] D. Hafizovic and M. Karlsson, “GaN Transistor Based Digital Class-D Amplifier with Global Feedback”, 2021.
[2] A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij and D. Reusch, “GaN TRANSISTORS FOR EFFICIENT POWER CONVERSION”, 2015
[3] F. Zeng, J. Xilin An , G. Zhou , W. Li, H. Wang, T. Duan, L. Jiang and H. Yu, “A Comprehensive Review of Recent Progress on GaN High Electron Mobility Transistors: Devices, Fabrication and Reliability”, November 2018.
[4] L. C. a. R. A. Beach, “Fundamentals of Gallium Nitride EPC – POWER CONVERSION TECHNOLOGY LEADER,” 2020 .[Online].
Available: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/product-training/Appnote_GaNfundamentals.pdf
[5] S. K. Ghosh, “Travelling-Wave Tubes for Space Application: Present and Future”, February, 2020.
[6] Tian Hang, Xu Hui, Qi Weiling, Liu Yiqun, Huang Pengchao, “The Reliability Simulation of Space TWT”.
[7] Aethercomm, “Gallium Nitride (GaN) Microwave Transistor Technology For Radar Applications”
[8] Kiran Bernard, “GaN powers small satellites”, POWER SPACE, July 2019.[Online].
Available:https://edition.pagesuite-professional.co.uk/html5/reader/production/default.aspx?pubname=&edid=b4869b8b-83ce-47d3-9e8a-c37f797da98f&pnum=24
[9] Marina Iriate, “GaN adoption solves power, performance issues in military applications”, October 04, 2018. [Online]. Available:https://militaryembedded.com/radar-ew/rf-and-microwave/gan-performance-issues-military-applications
[10] John Keller, “Raytheon moves forward with developing electromagnetic weapons for ballistic and hypersonic missile defense”, Military& Aerospace Electronics.
August 01, 2022. [Online]. Available: https://www.militaryaerospace.com/power/article/14280556/missile-defense-electromagnetic-weapons-hypersonic
[11] Epc.space, “Why GaN in Space. Available: https://epc.space/why-gan-in-space/
[12] Juan Moreno Echarri, “Silicon Carbide Diodes (SiC) For Space Applications”, December 12, 2019. [Online]. Available: https://www.doeeet.com/content/non-standard-testing/silicon-carbide-diodes-sic-for-space-applications/
