Einführung

Strahlungsfeste Motorantriebe und Steuerungen sind spezielle Produkte, die für den zuverlässigen Betrieb in Umgebungen mit hoher Strahlung entwickelt wurden: Weltraum (Satelliten, Trägerraketen, Planetensonden), Kernkraftwerke, Hochenergiephysik/Teilchenbeschleuniger und Verteidigungssysteme. Diese Steuerungen müssen der ionisierenden Gesamtdosis (TID), Einzelereigniseffekten (SEE) und Verschiebungsschäden standhalten und ihre Leistung bei extremen Temperaturen, Vakuum usw. beibehalten.

Der Markt für strahlungsgehärtete Motorsteuerungen und Motorantriebe soll von 84,95 Millionen US-Dollar im Jahr 2023 auf 111,38 Millionen US-Dollar im Jahr 2031 anwachsen. Im Prognosezeitraum von 2023 bis 2031 wird ein durchschnittliches jährliches Wachstum des Marktes von 3,4 % prognostiziert.

Schlüsselsegmente

Nach Typ

Motorsteuerung

Motorantrieb

Mit Motorantrieb

Frequenzumrichter

Gleichstromantrieb

BLDC

Nach Anwendung

Weltraumforschung

Militär und Verteidigung

Kernkraftwerke

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Marktwachstumstreiber und -strategien

Wachsende Weltraumforschung und kommerzielle Raumfahrt

Die zunehmende Nutzung von Satellitenkonstellationen, Mond- und Marsmissionen, Weltraumsonden, kommerziellen Trägerraketenherstellern und privaten Raumfahrtprogrammen erfordert strahlungsbeständigere, leichtere und kompaktere Motorsteuerungen.

Investitionen und Modernisierung der Kernenergie

Die Sanierung alter Kernkraftwerke, der Bau kleiner modularer Reaktoren (SMRs) und die Automatisierung der Wartung in Gebieten mit hoher Strahlung führen zu einer steigenden Nachfrage nach Festplatten mit Strahlungsschutz.

Verteidigungs- und nationale Sicherheitsanforderungen

Systeme, die in Umgebungen mit nuklearer oder radiologischer Bedrohung betrieben werden müssen, erfordern solche gehärteten Komponenten.

Miniaturisierung, SWaP-Probleme (Größe, Gewicht, Leistung)

Insbesondere bei Satelliten besteht ein großer Bedarf, mehr Funktionen auf weniger Chips oder Modulen unterzubringen, um Masse zu sparen und die Zuverlässigkeit zu verbessern.

Fortschritte in der Material- und Halbleitertechnologie

Einsatz von Silizium auf Isolator (SOI), fehlertoleranten Designs, fortschrittlicher Verpackung, GaN-FETs, verbesserten Rückkopplungssensoren usw.

Zukünftige Trends

Hochintegrierte Single-Chip-Lösungen

Um den SWaP zu minimieren, integrieren Entwickler mehrere Funktionen wie Motorsteuerung, Positionserfassung, Feedback und Antriebselektronik in einen einzigen IC. Ein Beispiel hierfür ist der LX7720 von Microchip, der die meisten Motorsteuerungs- und Positionserfassungsfunktionen in einem einzigen strahlungsfesten Mixed-Signal-IC für den Einsatz in Satellitenanwendungen integriert.

Höhere Strahlungstoleranz und Qualifikationsstufen

Die Industrie treibt die TID-Kapazitäten (Hunderte von krad, MGy), die SEE-Immunität sowie hermetische und robuste Gehäuse voran. Außerdem werden mehr strahlungsresistente Bausteine ​​in Kunststoffgehäusen für weniger anspruchsvolle, aber dennoch betriebskritische Anwendungen (Kleinsatelliten usw.) entwickelt, um die Kosten zu senken. Renesas hat GaN-FET-Treiber und strahlungsresistente PWM-Controller in Kunststoffgehäusen entwickelt.

Einsatz von GaN-FETs und effizienten Geräten

Für höhere Effizienz, schnelleres Schalten und kleinere Formfaktoren werden GaN-Geräte in Kombination mit Festplattentreibern immer wichtiger. Die GaN-Treiber von Renesas sind nur ein Beispiel.

Wichtige Akteure und aktuelle Entwicklungen

Microchip Technology Inc.

Strahlungsresistenter Motorcontroller LX7720: Microchip hat den LX7720 vorgestellt, einen hochintegrierten Mixed-Signal-Motorcontroller-IC für den Einsatz in Satelliten. Er integriert Funktionen wie mehrere MOSFET-Treiber (Halbbrücken), Differenzstromsensoren, Resolver-Transformator-Treiber, Resolver-Sensoreingänge, Endschalter usw. Er ist für eine Gesamtionisierungsdosis (TID) von 100 krad und eine ELDRS von 50 krad qualifiziert und immun gegen Einzelereignisse.

Strahlungsfeste Leistungs-MOSFET-Familie (JANS/JANSF-Serie): Microchip hat seine strahlungsfeste Leistungs-MOSFET-Reihe im April 2025 auf den Standard MIL PRF 19500/746 finalisiert. Ein interessantes Bauelement ist der JANSF2N8587U3 (100-V-N-Kanal-MOSFET) mit einer TID von 300 krad (Si). Die Familie umfasst Bauelemente von ~100–250 V (bei niedrigerer TID) bis hin zu höheren TID-Werten. Diese MOSFETs können in Motorantrieben/Steuervorstufen, DC-DC-Wandlern usw. eingesetzt werden.

MACCON GmbH & Co. KG

Strahlungsgehärtete Schrittmotoren: Sie fertigen Schrittmotoren für den Einsatz in strahlenbelasteten Umgebungen (z. B. Kernkraftwerke, wissenschaftliche Anwendungen). Die Motoren sind mit oder ohne Resolver-Feedback (offener oder geschlossener Regelkreis) erhältlich. Nichtmetallische Komponenten und Feedback-Sensoren sind speziell auf Gamma-   und andere Strahlungsarten ausgelegt.

Antriebstechnologie für das Giant Magellan Telescope (GMT): Anfang 2024 erhielt MACCON den Auftrag zur Lieferung der Hauptachsenantriebe für das GMT (Azimut und Elevation). Es handelt sich um direkt angetriebene, getriebelose Entwicklungen, deren Realisierung einige Jahre in Anspruch nahm. Obwohl nicht alle Motorsteuerungen strahlungsfest sind, erfordern die Betriebsumgebung des Teleskops (z. B. große Elevation, potenzielle kosmische Strahlung) und die Präzisionsanforderungen eine extrem hohe mechanische und elektronische Zuverlässigkeit.

Renesas Electronics Corporation

IS 2100AEH / IS 2100ARH Halbbrücken-MOSFET-Treiber: Es handelt sich um 130-V-Halbbrücken-N-Kanal-MOSFET-Treiber-ICs für Hochfrequenz. Sie sind strahlungsfest, mit einer TID von bis zu 300 krad (Si), QML-zertifiziert (MIL PRF 38535), mit Latch-up-Immunität und SEU-Schutz. Sie eignen sich für Gleichstrommotor-Antriebsstufen und andere induktive Schaltlasten im Weltraum.

ISL71441SLHMRZ GaN-Halbbrückentreiber: Ein 12-V-Halbbrücken-GaN-FET-Treiber für hochfrequente, effiziente DC/DC-Schaltung. Er kann auch in Frontends von Motorantrieben eingesetzt werden. Unterstützt GaN-FET-Treiber für verbesserte Effizienz usw.

ISL72814SEH 16-Kanal-Stromtreiber: Rad-Festplattentreiber mit integriertem Decoder für Satellitensteuerungs- und Telemetrieanwendungen. Ausgangsstromimpulse für HF-Schaltung, Magnetspulen, Relais, Motoren (z. B. neigbare Solaranlagen) usw. Unterstützt die Reduzierung des Platzbedarfs durch die Kombination mehrerer Funktionen in einem einzigen IC.

Gelegenheiten

„New Space“ / Smallsat-Boom

Die meisten Unternehmen, die Konstellationen kleiner Satelliten einsetzen, benötigen zuverlässige, kostengünstige und strahlungsresistente Antriebe/Steuerungen. Differenzierungen hinsichtlich Kosten, Integration, geringem Gewicht und Energieeffizienz sind möglich.

Wissenschaftliche Forschungseinrichtungen

Teilchenbeschleuniger, Fusionsreaktoren und große physikalische Experimente (ITER usw.) erfordern präzise Bewegungen unter Strahlung.

Kundenspezifische / maßgeschneiderte Produkte

Die meisten Anwendungen haben spezielle Anforderungen (Drehmoment, Feedback, Lebensdauer, Strahlendosis usw.), daher sind individuelle Anpassungen willkommen.

Bessere Halbleiterprozesse und -verpackungen

Nutzung neuerer Technologien, verbesserter Fertigung (SOI, GaN usw.), hermetischer Verpackung und Qualifizierungsprozesse zur Leistungssteigerung und Kostensenkung.

Herausforderungen / Einschränkungen

Hoher Entwicklungs- und Qualifizierungsaufwand und lange Markteinführungszeit.

Teure Komponenten, insbesondere für hohe TID/SEE-Spezifikationen, hermetische Verpackung.

Einschränkungen in der Lieferkette, wenige Halbleiterfabriken mit hoher Strahlungskapazität.

In bestimmten kommerziellen Märkten besteht Widerstand gegen die Zahlung von Prämien, sofern kein offensichtlicher Bedarf besteht.

Zukünftige Richtungen

Zunehmend integrierte Lösungen mit Motor, Treiber, Feedback und Steuerung, die in einzelnen Modulen oder ICs zusammengefasst sind.

Treiber mit Wide-Bandgap-Halbleitern (GaN, SiC) für höhere Effizienz und Leistungsdichte, geeignet für Strahlungsumgebungen.

Eingebettete KI-/adaptive Steuerungsalgorithmen zur Verfolgung der strahlungsbedingten Verschlechterung und zur Anpassung des Betriebs.

Modulare, skalierbare Antriebsarchitekturen zur Unterstützung mehrerer Leistungs-/Drehmomentbereiche.

Abschluss

Der Markt für strahlungsfeste Motorsteuerungen und Motorantriebe wird im nächsten Jahrzehnt voraussichtlich stark wachsen. Faktoren wie zunehmende Weltraummissionen, Investitionen in die Nuklearindustrie, Verteidigungsbedürfnisse und die Nachfrage nach neuen Technologien treiben die Nachfrage nach effizienten, kompakten und zuverlässigen strahlungsfesten Motorantrieben voran.

Die Herausforderungen hinsichtlich Kosten, Qualifikation, Lieferkette und rasantem technologischen Fortschritt bedeuten jedoch, dass sich Unternehmen weiterhin auf Forschung und Entwicklung, Partnerschaften, Qualifikation und die Erfüllung tatsächlicher Anwendungsfallanforderungen konzentrieren müssen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Was ist der Unterschied zwischen „strahlungsgehärtet“ und „strahlungstolerant“?

Strahlungsresistent bedeutet im Allgemeinen eine sehr dichte Konstruktion, Materialien, Verpackung und Eignung für hohe Dosen (hohe TID), hohe SEE-Immunität und manchmal hermetische Verpackung. Strahlungstolerant bedeutet möglicherweise weniger Toleranzanforderungen (niedrigere TID, weniger raue Strahlungsumgebung), möglicherweise geringere Kosten, möglicherweise Kunststoffverpackung usw.

Wie viel Strahlung müssen diese Controller aushalten können?

Abhängig von der Anwendung. Weltraummissionen können 50.300 krad (Si) oder mehr erfordern, gelegentlich bis zu MGy für bestimmte mechanische Teile. Bestimmte Motoren (wie die von MACCON) sind für > 30 MGy qualifiziert.

Welche Motortypen werden üblicherweise mit Rad-Hard-Controllern verwendet?

Schrittmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren, bürstenbehaftete Gleichstrommotoren, Hybridmotoren. Gelegentlich mit Rückkopplungsschleifen wie Resolvern oder optischen Encodern (optische Encoder sind jedoch strahlungsempfindlicher). Eine geschlossene Regelschleife erhöht die Genauigkeit.

Warum ist eine hermetische Verpackung notwendig?

Die hermetische Abdichtung schützt vor Verunreinigungen, Wasser und Ausgasung und sorgt für stabile Bedingungen im Inneren. Auch nützlich bei extremen Temperaturen und Vakuum und kann die Zuverlässigkeit bei Strahlung erhöhen.

Wie werden Motorsteuerungen/Antriebe von Unternehmen auf Strahlung qualifiziert?

Sie werden auf Gesamtionisierungsdosis (TID), Verschiebungsschäden, Einzelereignisstörungen, Latch-Ups usw. getestet. Sie entsprechen außerdem militärischen und luftfahrtspezifischen Standards (z. B. MIL PRF, QML und anderen behördenspezifischen Standards). Die Tests erfolgen in beschleunigten Laboren sowie durch Missionsvalidierung.