Introduction

Les variateurs et contrôleurs de moteurs résistants aux radiations (rad hard) sont des produits dédiés, conçus pour fonctionner de manière fiable dans des environnements à fort rayonnement : l'espace (satellites, lanceurs, sondes planétaires), les centrales nucléaires, la physique des hautes énergies/les accélérateurs de particules et les systèmes de défense. Ces contrôleurs doivent résister à la dose ionisante totale (DIT), aux effets d'événement unique (EES), aux dommages par déplacement, et conserver leurs performances à des températures extrêmes, sous vide, etc.

La taille du marché des contrôleurs de moteurs et des variateurs de vitesse renforcés aux radiations devrait atteindre 111,38 millions USD d'ici 2031, contre 84,95 millions USD en 2023. Le marché devrait croître à un TCAC de 3,4 % au cours de la période de prévision de 2023 à 2031.

Segments clés

Par type

Contrôleur de moteur

Entraînement par moteur

Par entraînement par moteur

Entraînement à courant alternatif

Entraînement CC

BLDC

Par application

Exploration spatiale

Militaire et Défense

centrales nucléaires

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Moteurs et stratégies de croissance du marché

Croissance de l'exploration spatiale et de l'espace commercial

L'utilisation croissante de constellations de satellites, de missions lunaires et martiennes, de sondes « spatiales lointaines », de fabricants de lanceurs commerciaux et de programmes spatiaux du secteur privé nécessite des contrôleurs de moteurs plus résistants aux radiations, plus légers et plus compacts.

Investissements et modernisation de l'énergie nucléaire

La rénovation des centrales nucléaires vieillissantes, la construction de petits réacteurs modulaires (SMR) et l'automatisation de la maintenance dans les zones à forte radiation augmentent la demande de disques durs rad.

Besoins en matière de défense et de sécurité nationale

Les systèmes devant fonctionner dans des environnements de menace nucléaire ou radiologique nécessitent de tels composants renforcés.

Miniaturisation, problèmes SWaP (taille, poids, puissance)

Dans le domaine des satellites en particulier, il existe un besoin urgent d’intégrer davantage de fonctions dans moins de puces ou de modules, ce qui permet de gagner de la masse et d’améliorer la fiabilité.

Progrès dans les technologies des matériaux et des semi-conducteurs

Utilisation de silicium sur isolant (SOI), conceptions tolérantes aux pannes, packaging avancé, FET GaN, capteurs de rétroaction améliorés, etc.

Tendances futures

Solutions monopuce hautement intégrées

Afin de minimiser le SWaP, les concepteurs regroupent plusieurs fonctions, telles que le contrôle moteur, la détection de position, la rétroaction et l'électronique de pilotage, dans un seul circuit intégré. Par exemple, le LX7720 de Microchip intègre la plupart des fonctions de contrôle moteur et de détection de position dans un seul circuit intégré à signaux mixtes, résistant aux radiations, destiné aux applications satellites.

Tolérance aux radiations et niveaux de qualification plus élevés

L'industrie améliore les capacités TID (plusieurs centaines de krad, MGy), l'immunité aux radiations électromagnétiques (SEE) et les boîtiers hermétiques et robustes. Elle développe également des dispositifs tolérants aux radiations en boîtier plastique pour des applications moins exigeantes mais néanmoins critiques (petits satellites, etc.) à moindre coût. Renesas a fourni des pilotes FET GaN et des contrôleurs PWM tolérants aux radiations en boîtier plastique.

Utilisation de transistors à effet de champ GaN et de dispositifs efficaces

Pour une efficacité accrue, une commutation plus rapide et des formats réduits, les composants GaN associés à des pilotes durs Rad deviennent de plus en plus essentiels. Les pilotes GaN de Renesas n'en sont qu'un exemple.

Acteurs clés et développements récents

Microchip Technology Inc.

Contrôleur de moteur LX7720 résistant aux radiations : Microchip a présenté le LX7720, un circuit intégré de commande de moteur à signaux mixtes densément intégré utilisé dans les satellites. Il intègre des fonctionnalités telles que plusieurs pilotes MOSFET (demi-ponts), des capteurs de courant différentiel, un pilote de transformateur de résolveur, des entrées de détection de résolveur, des interrupteurs de fin de course, etc. Il est homologué pour une dose ionisante totale (TID) de 100 krads, une ELDRS de 50 krads et est insensible aux événements isolés.

Famille de MOSFET de puissance durcis aux radiations (séries JANS/JANSF) : Microchip a finalisé sa gamme de MOSFET de puissance durcis aux radiations en avril 2025, conformément à la norme MIL PRF 19500/746. Le JANSF2N8587U3 (MOSFET canal N 100 V) est un composant intéressant, qualifié pour une TID de 300 krad (Si). Cette famille comprend des dispositifs allant d'environ 100 V à 250 V (à TID faible) jusqu'à des TID plus élevés. Ces MOSFET peuvent être utilisés dans les variateurs de vitesse et les pré-étages de commande de moteurs, les convertisseurs CC/CC, etc.

MACCON GmbH & Co. KG

Moteurs pas à pas résistants aux radiations : Ils sont conçus pour des applications en environnements irradiés (par exemple, centrales nucléaires, applications scientifiques). Ces moteurs sont disponibles avec ou sans rétroaction par résolveur (fonctionnement en boucle ouverte ou fermée). Les composants non métalliques et les capteurs de rétroaction sont spécifiquement conçus pour résister à la dégradation par les rayonnements gamma   ou autres types de rayonnements.

Technologie d'entraînement pour le télescope géant Magellan (GMT) : Début 2024, MACCON a reçu un contrat pour la fourniture des entraînements des axes principaux du GMT (azimut et élévation). Il s'agit de développements à entraînement direct et sans engrenage dont la concrétisation a pris plusieurs années. Bien que tous les contrôleurs de moteur ne soient pas nécessairement résistants aux radiations, l'environnement opérationnel du télescope (par exemple, haute altitude, potentiellement rayons cosmiques) et les exigences de précision exigent une fiabilité mécanique et électronique extrêmement élevée.

Renesas Electronics Corporation

Pilotes de MOSFET demi-pont IS 2100AEH / IS 2100ARH : Ces circuits intégrés de pilotage de MOSFET canal N demi-pont 130 V sont conçus pour les hautes fréquences. Ils sont résistants aux radiations, avec un TID allant jusqu'à 300 krad (Si), certifiés QML (MIL PRF 38535), avec immunité au verrouillage et protections SEU. Ils sont adaptés aux étages de commande de moteurs à courant continu et autres charges de commutation inductives dans l'espace.

Pilote demi-pont GaN ISL71441SLHMRZ : Pilote FET GaN demi-pont 12 V pour commutation CC/CC haute fréquence efficace. Peut également être utilisé en tête de variateur de moteur. Compatible avec les pilotes FET GaN pour une efficacité accrue.

Pilote de courant 16 canaux ISL72814SEH : Pilote de courant Rad Hard avec décodeur intégré pour applications de commande et de télémétrie par satellite. Impulsions de courant de sortie pour commutation RF, solénoïdes, relais, moteurs (par exemple, panneaux solaires inclinables), etc. Contribue à la réduction de l'encombrement et du SWaP en combinant plusieurs fonctions dans un seul circuit intégré.

Opportunités

« Nouvel espace » / Le boom des petits satellites

La plupart des entreprises déployant des constellations de petits satellites ont besoin de lecteurs/contrôleurs fiables, peu coûteux et tolérants aux radiations. Il est possible de se différencier en termes de coût, d'intégration, de légèreté et d'efficacité énergétique.

Installations de recherche scientifique

Les accélérateurs de particules, les réacteurs à fusion, les grandes expériences de physique (ITER etc.) exigent des mouvements de précision sous rayonnement.

Produits personnalisés / sur mesure

La plupart des applications ont des besoins spécifiques (couple, rétroaction, durée de vie, dose de rayonnement, etc.), donc une personnalisation est appréciée.

Meilleurs procédés et emballages pour semi-conducteurs

Utilisation de technologies plus récentes, d'une fabrication améliorée (SOI, GaN, etc.), d'un emballage hermétique et de processus de qualification pour améliorer les performances et réduire les coûts.

Défis / Contraintes

Dépenses de développement et de qualification élevées et long délai de mise sur le marché.

Composants coûteux, notamment pour spécifications TID/SEE élevées, emballage hermétique.

Restrictions de la chaîne d'approvisionnement, peu d'usines de fabrication de semi-conducteurs avec des capacités de résistance aux radiations.

Sur certains marchés commerciaux, la résistance à payer une prime est à éviter sauf si le besoin est évident.

Orientations futures

Solutions de plus en plus intégrées avec moteur, pilote, rétroaction et contrôle regroupés dans des modules uniques ou des circuits intégrés.

Pilotes utilisant des semi-conducteurs à large bande interdite (GaN, SiC) pour une plus grande efficacité et densité de puissance, qualifiés pour l'environnement de rayonnement.

Algorithmes d'IA / de contrôle adaptatif intégrés pour suivre la dégradation due aux radiations et adapter les opérations.

Architectures d'entraînement modulaires et évolutives pour prendre en charge plusieurs régimes de puissance/couple.

Conclusion

Le marché des contrôleurs et variateurs de moteurs résistants aux radiations devrait connaître une forte croissance au cours de la prochaine décennie. Des facteurs tels que la multiplication des missions spatiales, les investissements dans l'industrie nucléaire, les besoins de la défense et la demande pour le « nouveau spatial » stimulent la demande de variateurs de moteurs résistants aux radiations efficaces, compacts et fiables.

Cependant, les défis liés aux coûts, à la qualification, à la chaîne d’approvisionnement et aux progrès technologiques rapides impliquent que les entreprises doivent rester concentrées sur la R&D, les partenariats, la qualification et la satisfaction des exigences réelles des cas d’utilisation.

Foire aux questions (FAQ)

Quelle est la différence entre « durci aux radiations » et « tolérant aux radiations » ?

La résistance aux radiations implique généralement une conception, des matériaux, un conditionnement et une qualification très rigoureux pour supporter des doses élevées (TID élevé), une forte immunité aux radiations électromagnétiques (SEE), et parfois un conditionnement hermétique. La tolérance aux radiations peut se traduire par une tolérance moins exigeante (TID plus faible, environnement de rayonnement moins agressif), un coût potentiellement plus faible, un conditionnement potentiellement plastique, etc.

À quelle quantité de radiation ces contrôleurs doivent-ils être capables de survivre ?

Cela dépend de l'application. Les missions spatiales peuvent nécessiter 50 300 krad (Si) ou plus, parfois jusqu'à des niveaux de MGy pour certaines pièces mécaniques. Certains moteurs (comme ceux de MACCON) sont qualifiés pour plus de 30 MGy.

Quels sont les types de moteurs couramment utilisés avec les contrôleurs Rad Hard ?

Moteurs pas à pas, moteurs à courant continu sans balais, moteurs à courant continu avec balais, hybrides. Parfois avec des boucles de rétroaction telles que des résolveurs ou des codeurs optiques (les optiques étant toutefois plus sensibles aux radiations). La régulation en boucle fermée améliore la précision.

Pourquoi un emballage hermétique est-il nécessaire ?

L'étanchéité protège contre la contamination, l'eau et le dégazage, et assure la stabilité des conditions internes. Elle est également utile en cas de températures extrêmes et de vide, et peut améliorer la fiabilité sous rayonnement.

Comment les contrôleurs/variateurs de moteurs sont-ils qualifiés par les entreprises pour le rayonnement ?

Ils sont testés pour la dose ionisante totale (DIT), les dommages par déplacement, les perturbations ponctuelles, les blocages, etc. Ils sont également conformes aux normes militaires ou aérospatiales (par exemple, MIL PRF, QML, autres normes spécifiques aux agences). Les tests sont effectués en laboratoire accéléré et en validation de mission.