Transistores
Os testes em radiação realizados nos transistores apresentaram resultados condizentes com as referências consultadas [26, 27, 36, 49, 64]. O VGS(th) dos transistores caiu conforme a dose
total acumulada subia, de forma praticamente linear. Contudo, a taxa com que essa diminuição ocorreu foi diferente para cada transistor e para cada tipo de polarização, sendo que os transistores com polarização negativa foram os mais afetados. Por outro lado, os transistores mantidos com polarização nula foram os que tiveram a menor alteração de parâmetros, corroborando com a prática comum na operação de missões espaciais, que consiste em desligar equipamentos sempre que possível, principalmente em áreas com alto índice de radiação, para minimizar os efeitos sofridos.
Ao final da irradiação, o VGS(th) da maioria dos transistores apresentou alterações
consideráveis, sendo o caso mais emblemático o ocorrido com o transistor Q3, no qual a tensão inicial de -2,86V foi deslocada para -9,25V, uma variação de mais de 3 vezes. Após o annealing por 168 horas, observou-se a recuperação de VGS(th) para todos os transistores, embora não tenha sido
restaurado o valor original (inicial) em nenhum dos casos. Entre os transistores com polarização de gate nula, foi interessante notar que Q8 teve uma variação de 38% em seu VGS(th), enquanto seus
pares Q7 e Q9 tiveram, respectivamente, alterações de 95% e 123%.
A resistência de condução dos transistores foi medida com uma tensão fixa de gate (-10V). Contudo, como o valor do VGS(th) diminuiu durante a irradiação, parece que o aumento verificado
está relacionado ao aumento da tensão de overdrive conforme a dose total acumulada aumenta (sendo VOVERDRIVE = VGS -VGS(th) [23]). Ao final do annealing por 168h, os valores das resistências de
Chaves LCL
O teste da chave LCL em temperatura é uma parte importante no processo de desenvolvimento do circuito. Ao variar a temperatura de operação da montagem, deslocamentos do ponto de operação do circuito devido a mudanças de ganho e correntes de fuga, variações de tensões de condução e offset, entre outros efeitos, podem ser observados e minimizados. Esse conhecimento dos pontos sensíveis do circuito pode ser utilizado para aumentar a imunidade à radiação.
De forma similar, os testes exploratórios em radiação, realizados utilizando as chaves 3 e chave 1, foram relevantes para o entendimento dos efeitos da radiação no circuito, apontando quais medidas poderiam ser tomadas para tornar o circuito mais robusto. Esses testes também tiveram papel importante no sentindo de contestar os resultados do teste em transistores feito pelo laboratório externo, mostrando que as informações apresentadas pelo mesmo não são válidas para todos os casos de aplicação.
Já os testes com as chaves 2 e 4 serviram para comprovar que as mesmas são capazes de operar em um ambiente com presença de radiação, pelo menos no que diz respeito a dose total acumulada. A chave 4 operou normalmente até a dose total de 65krad, enquanto a chave 2 foi até 43krad, sendo que ambas ultrapassaram 30krad, meta inicial do trabalho.
Aparentemente, a chave 4 teve um desempenho até melhor que a chave 2, mas como a resistência de condução do MOSFET FQP27P06 é o dobro da apresentada pelo IRF5M4905, é possível que o aquecimento maior da chave 4, devido à maior perda de condução, possa ter colaborado para estimular o annealing mesmo durante a irradiação, fazendo com que a chave se recuperasse de parte da radiação recebida. Como dito no Capítulo 2, esse mecanismo de forçar a recuperação do circuito pelo aumento da temperatura já é conhecido e até usado em missões espaciais. Vale lembrar que durante esse trabalho, apenas a dose total acumulada foi levada em consideração, em um número baixo de amostras. Em um cenário real de uso, com a ocorrência de single event effect e displacement damage, esse resultado pode ser diverso.
Os testes em temperatura que seguiram o annealing por 168 horas serviram para comprovar que, mesmo após a prolongada exposição à radiação, as chaves ainda mantinham suas
funcionalidades básicas operacionais em toda a faixa de temperatura de operação. A corrente de limiar apresentou um desvio marginal em relação à especificação, valor esse que pode ser facilmente corrigido.
Chave LCL integrada MAX14572
Como só uma amostra da chave comercial integrada (MAX14572) foi testada, não existe uma base estatística para garantir que o resultado encontrado é padrão. Contudo, a amostra utilizada apresentou um grau razoável de tolerância à radiação (7,6krad), o que pode torná-la interessante para missões de curta duração, devido a suas dimensões reduzidas, baixa resistência de condução (máxima de 160mΩ e típica de 100mΩ [50]) e baixo consumo de corrente de alimentação (máximo de 700µA).
Capítulo 7
Conclusão
Este trabalho apresentou o projeto e o processo de validação de uma chave LCL para uso espacial. Grande parte das considerações aqui feitas também são válidas no desenvolvimento de chaves de proteção para outros tipos de sistemas de distribuição de energia CC.
A utilização do método de injeção de sinais para a caracterização e ajuste da malha de controle se provou válida, tanto utilizando sinais contínuos quanto sinais pulsados. Apesar do uso de sinais pulsados implicar em uma maior dificuldade no desenvolvimento do conjunto automatizado de medição e de uma maior presença de ruídos nos resultados, ele tem a grande vantagem de poder ser aplicado diretamente ao circuito final durante uma operação real, criando a oportunidade de acompanhar o desempenho do circuito de controle sempre que necessário.
Todos os métodos apresentados para a limitação do crescimento da corrente se provaram funcionais. Contudo, o método utilizando o indutor de source parece ser a solução mais adequada para o uso espacial, devido ao baixo valor do indutor, o número reduzido de componentes e o bom desempenho prático. A associação dessa solução com a adequada escolha da tensão de polarização de gate, atenuaram fortemente o surto de corrente inicial, além de controlar a taxa de crescimento da corrente, o que colabora para a menor geração de ruídos durante uma possível sobrecarga.
Essa técnica de diminuir a tensão de polarização de gate no circuito da chave de -6,2V para -9V (apresentada no Capítulo 6), compensando a diminuição do VGS(th) devido à radiação, se
mostrou eficiente, estendendo a faixa de operação do circuito. Essa mudança de polarização deve ser acompanhada do aumento do valor do indutor de source, para manter a taxa de crescimento de corrente dentro do esperado.
A diminuição da referência de início de temporização (reduzida em 2%), distanciando-a da referência de limitação de corrente também se provou uma atitude adequada. Com essa mudança, não se corre o risco da limitação de corrente ocorrer sem a temporização ser iniciada, garantindo a correta temporização da proteção e preservando a integridade da chave.
A adição do controle preditivo à malha da chave LCL (proposto em 4.2.6) melhorou significativamente a resposta do circuito e eliminou completamente o surto inicial de corrente, enquanto a topologia final proposta para a chave LCL (Figura 4.32) provou-se eficiente, gerando um circuito que conseguiu atingir os requisitos desejados, mesmo quando submetido à variações térmicas e a exposição à radiação.
O uso de um conjunto de equipamentos de medição automatizados por Labview gerou uma grande agilidade na realização dos testes. Um volume razoável de informação (mais de 15GB) foi adquirido durante os testes, o que não seria possível de ser realizado manualmente. Além de atuar nas medições, o conjunto automatizado organizou os dados e gerou vários relatórios, tabelas e gráficos, facilitando o acesso às informações quando necessário. Esse sistema de medidas também foi fundamental durante os testes das chaves em radiação, quando não era possível haver presença de pessoal na sala de testes.
Os testes das chaves LCL em temperatura e em radiação mostraram a adequação do circuito implementado em relação aos objetivos do trabalho. A Tabela 7.1 sumariza o resultado dos testes. É interessante notar que chaves montadas com componentes comerciais conseguiram suportar elevadas doses totais acumuladas, muito superiores às esperadas em missões de alguns anos em órbita baixa. Além disso, após o annealing por 168 horas, ficou claro que as chaves se recuperaram de boa parte dos efeitos da radiação, indicando que provavelmente resistiriam a doses bem mais altas em aplicações reais.
Ao final do teste dos transistores, chamou atenção o fato da completa divergência entre os resultados obtidos nos testes em radiação dos MOSFET canal-P de potência conduzidos nesse
trabalho (Apêndice F) e os relatados pelo laboratório contratado (Apêndice H). Os dois resultados de testes apontaram comportamentos diferentes do VGS(th) tanto durante a irradiação quanto após
o annealing. Além disso, o retorno do VGS(th) praticamente ao valor original e a intensa e permanente
alteração da resistência de condução encontrados pelo laboratório externo (Apêndice H) não aconteceram em nenhum dos transistores testados durante este trabalho e não convergem com nenhuma das referências consultadas [26, 27, 36, 49, 64]. Talvez, a diferença de quase uma ordem de grandeza na taxa de dose aplicada nos testes, de 1krad/hora no presente trabalho e de 10krad/hora no teste realizado pelo laboratório, possa explicar essa sensível diferença. Contudo, não foi encontrada literatura que apoie essa teoria.
LCL Tipo Taxa Dose Total Funcional até Degradada até Recuperou após annealing Chave 3 Comercial 823rad/h 69krad (aquisição até 32krad) 32krad 32krad (*) Sim
Chave 1 Tolerante 974rad/h 93krad (mod. 21krad e 44krad) 21krad 78krad Sim Chave 2 Tolerante 974rad/h 65krad 48krad 65krad Sim
Chave 4 Comercial 974rad/h 65krad 65krad - Sim
Tabela 7.1 – Resumo dos resultados dos testes das chaves LCL em radiação
Sugestões para trabalhos futuros
Este trabalho avaliou o desempenho da chave LCL em radiação, submetendo essas chaves LCL a níveis de dose total acumulada muito maiores do que os esperados em órbitas baixas, o que demonstra uma robustez do projeto a esse tipo de efeito. Contudo, a realização de ensaios para simular o efeito de evento único (single event effect) e dano por deslocamento (displacement damage) é necessária para validar totalmente a solução proposta
O transistor MOSFET canal-P de potência talvez seja o componente principal da chave LCL e vários dos parâmetros da chave derivam quase que diretamente do mesmo. Devido aos resultados discrepantes entre os testes aqui realizados e os apresentados pelo laboratório externo, justifica-se uma melhor avaliação dos efeitos da radiação sobre esse componente. Um teste mais minucioso e envolvendo um número maior de amostras deve ser realizado para o entendimento preciso das discrepâncias encontradas.
Devido aos custos envolvidos no lançamento, missões espaciais cada vez mais demandam circuitos eficientes e de tamanho reduzido. A compactação do circuito da chave LCL e um possível encapsulamento da mesma, criando um circuito híbrido de pequenas dimensões, será de grande valia para viabilizar a utilização desse circuito em aplicações espaciais.