Introduzione

I motori e i controller resistenti alle radiazioni (rad hard) sono prodotti dedicati, progettati per funzionare in modo affidabile in ambienti ad alta radiazione: spazio (satelliti, vettori di lancio, sonde planetarie), centrali nucleari, fisica delle alte energie/acceleratori di particelle e sistemi di difesa. Questi controller devono resistere alla dose ionizzante totale (TID), agli effetti di singolo evento (SEE), ai danni da spostamento e mantenere le prestazioni a temperature estreme, nel vuoto, ecc.

Si prevede che il mercato dei controller e degli azionamenti per motori resistenti alle radiazioni raggiungerà i 111,38 milioni di dollari entro il 2031, rispetto agli 84,95 milioni di dollari del 2023. Si prevede che il mercato crescerà a un CAGR del 3,4% nel periodo di previsione dal 2023 al 2031.

Segmenti chiave

Per tipo

Controllore del motore

Azionamento del motore

Con azionamento a motore

Azionamento CA

Azionamento CC

Motore brushless

Per applicazione

Esplorazione spaziale

Militare e difesa

Centrali nucleari

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Fattori e strategie di crescita del mercato

Esplorazione spaziale in crescita e spazio commerciale

Il crescente utilizzo di costellazioni satellitari, missioni lunari e su Marte, sonde nello "spazio profondo", produttori di veicoli di lancio commerciali e programmi spaziali del settore privato richiedono controller di motori più resistenti alle radiazioni, più leggeri e più compatti.

Investimenti e modernizzazione dell'energia nucleare

La ristrutturazione di vecchie centrali nucleari, la costruzione di piccoli reattori modulari (SMR) e l'automazione della manutenzione in aree ad alta radiazione stanno aumentando la domanda di dischi rigidi antiradiazione.

Esigenze di difesa e sicurezza nazionale

I sistemi che devono operare in ambienti a rischio nucleare o radiologico necessitano di componenti così rinforzati.

Miniaturizzazione, problemi SWaP (dimensioni, peso, potenza)

In particolare nei satelliti, c'è un'esigenza impellente di concentrare più funzioni in un numero inferiore di chip o moduli, risparmiando massa e migliorando l'affidabilità.

Progressi nelle tecnologie dei materiali e dei semiconduttori

Utilizzo di silicio su isolante (SOI), progetti tolleranti ai guasti, packaging avanzato, FET GaN, sensori di feedback migliorati, ecc.

Tendenze future

Soluzioni a chip singolo altamente integrate

Per ridurre al minimo lo SWaP, i progettisti stanno integrando più funzioni, come il controllo motore, il rilevamento della posizione, il feedback e l'elettronica di azionamento, in un unico circuito integrato. Ad esempio, l'LX7720 di Microchip integra la maggior parte delle funzioni di controllo motore e rilevamento della posizione in un unico circuito integrato a segnale misto resistente alle radiazioni, da utilizzare in applicazioni satellitari.

Livelli di tolleranza alle radiazioni e di qualificazione più elevati

L'industria sta incrementando le capacità TID (centinaia di krad, MGy), migliorando l'immunità SEE, e progettando un packaging ermetico e robusto. Inoltre, si stanno sviluppando dispositivi resistenti alle radiazioni con package in plastica per applicazioni meno impegnative ma comunque mission-critical (smallsat, ecc.), con costi inferiori. Renesas ha fornito driver FET GaN e controller PWM resistenti alle radiazioni con package in plastica.

Utilizzo di FET GaN e dispositivi efficienti

Per una maggiore efficienza, una commutazione più rapida e fattori di forma ridotti, i dispositivi GaN combinati con driver rigidi rad stanno diventando sempre più essenziali. I driver GaN di Renesas sono solo un esempio.

Attori chiave e sviluppi recenti

Microchip Technology Inc.

Controller motore LX7720 resistente alle radiazioni: Microchip ha presentato l'LX7720, un circuito integrato di controllo motore a segnale misto densamente integrato utilizzato nei satelliti. Integra funzionalità come driver MOSFET multipli (half bridge), sensori di corrente differenziali, driver per trasformatore resolver, ingressi di rilevamento resolver, finecorsa, ecc. È qualificato per una dose ionizzante totale (TID) di 100 krad, ELDRS di 50 krad ed è immune a singoli eventi.

Famiglia di MOSFET di potenza resistenti alle radiazioni (serie JANS/JANSF): Microchip ha finalizzato la sua gamma di MOSFET di potenza resistenti alle radiazioni nell'aprile 2025, in conformità allo standard MIL PRF 19500/746. Un dispositivo interessante è il JANSF2N8587U3 (MOSFET a canale N da 100 V) qualificato per 300 krad (Si) TID. La famiglia comprende dispositivi da ~100 a 250 V (con TID inferiore) fino a valori di TID più elevati. Questi MOSFET possono essere utilizzati in azionamenti motore/pre-stadi di controllo, convertitori CC/CC, ecc.

MACCON GmbH & Co. KG

Motori passo-passo resistenti alle radiazioni: producono motori passo-passo per applicazioni in ambienti irradiati (ad esempio, centrali nucleari, applicazioni scientifiche). I motori sono disponibili con o senza feedback resolver (funzionamento in anello aperto o chiuso). I componenti non metallici e i sensori di feedback sono specificamente progettati per resistere al degrado causato da   radiazioni gamma o di altro tipo.

Tecnologia di azionamento per il Giant Magellan Telescope (GMT): all'inizio del 2024, MACCON ha ricevuto un contratto per la fornitura degli azionamenti dell'asse primario del GMT (azimut ed elevazione). Si tratta di sviluppi a trasmissione diretta e senza ingranaggi, la cui realizzazione ha richiesto alcuni anni. Sebbene non siano necessariamente tutti "controller di motori resistenti alle radiazioni", l'ambiente operativo del telescopio (ad esempio, elevata elevazione, potenzialmente raggi cosmici) e i requisiti di precisione spingono verso un'affidabilità meccanica ed elettronica estremamente elevata.

Renesas Electronics Corporation

Driver MOSFET a mezzo ponte IS 2100AEH / IS 2100ARH: si tratta di circuiti integrati driver MOSFET a canale N a mezzo ponte da 130 V per alte frequenze. Sono resistenti alle radiazioni, con una TID fino a 300 krad (Si), qualificati QML (MIL PRF 38535), immunità al latch-up e protezioni SEU. Sono applicabili a stadi di azionamento di motori CC e altri carichi di commutazione induttivi nello spazio.

Driver a mezzo ponte GaN ISL71441SLHMRZ: un driver a mezzo ponte GaN FET da 12 V per commutazione DC/DC efficiente ad alta frequenza e può essere utilizzato anche nei front-end degli azionamenti motore. Supporta l'azionamento a FET GaN per una maggiore efficienza, ecc.

Driver di corrente a 16 canali ISL72814SEH: driver di corrente Rad con decoder integrato per applicazioni di comando satellitare e telemetria. Impulsi di corrente in uscita per commutazione RF, solenoidi, relè, motori (ad esempio pannelli solari inclinabili), ecc. Contribuisce alla riduzione dell'ingombro/SWaP combinando diverse funzioni in un unico circuito integrato.

Opportunità

"Nuovo Spazio" / Boom dei piccoli satelliti

La maggior parte delle aziende che implementano costellazioni di piccoli satelliti necessita di unità/controller affidabili, economici e resistenti alle radiazioni. C'è margine di differenziazione in termini di costi, integrazione, leggerezza ed efficienza energetica.

Strutture di ricerca scientifica

Gli acceleratori di particelle, i reattori a fusione, i grandi esperimenti di fisica (ITER ecc.) richiedono movimenti di precisione sotto radiazioni.

Prodotti personalizzati/su misura

La maggior parte delle applicazioni ha esigenze specifiche (coppia, feedback, durata, dose di radiazioni, ecc.), quindi è gradita la personalizzazione.

Migliori processi e imballaggi per semiconduttori

Utilizzo di tecnologie più recenti, fabbricazione migliorata (SOI, GaN, ecc.), confezionamento ermetico e processi di qualificazione per migliorare le prestazioni e ridurre i costi.

Sfide / Limitazioni

Elevati costi di sviluppo e qualificazione e lunghi tempi di commercializzazione.

Componenti costosi, in particolare per specifiche TID/SEE elevate, imballaggio ermetico.

Limitazioni della catena di fornitura, poche fabbriche di semiconduttori con capacità di resistenza alle radiazioni.

Resistenza in alcuni mercati commerciali a pagare un sovrapprezzo, a meno che non sia evidente la necessità.

Direzioni future

Soluzioni sempre più integrate con motore, driver, feedback e controllo riuniti in singoli moduli o circuiti integrati.

Driver che impiegano semiconduttori ad ampio bandgap (GaN, SiC) per una maggiore efficienza e densità di potenza, idonei all'ambiente di radiazione.

Algoritmi di controllo adattivo/IA integrati per monitorare il degrado dovuto alle radiazioni e adattare le operazioni.

Architetture di azionamento modulari e scalabili per supportare più regimi di potenza/coppia.

Conclusione

Il mercato dei controller e degli azionamenti per motori resistenti alle radiazioni è destinato a registrare una crescita robusta nel prossimo decennio. Fattori come l'aumento delle missioni spaziali, gli investimenti nel settore nucleare, le esigenze della difesa e la domanda di "nuove tecnologie spaziali" stanno determinando la domanda di azionamenti per motori resistenti alle radiazioni efficienti, compatti e affidabili.

Tuttavia, le sfide legate ai costi, alla qualificazione, alla catena di fornitura e al rapido progresso tecnologico implicano che le aziende debbano continuare a concentrarsi su ricerca e sviluppo, partnership, qualificazione e soddisfazione dei requisiti dei casi d'uso effettivi.

Domande frequenti (FAQ)

Qual è la differenza tra "resistente alle radiazioni" e "resistente alle radiazioni"?

La resistenza alle radiazioni generalmente suggerisce un design, materiali, imballaggio e idoneità molto rigorosi per resistere a dosi elevate (TID elevato), elevata immunità alle radiazioni esterne (SEE) e, talvolta, un imballaggio ermetico. La tolleranza alle radiazioni potrebbe essere meno impegnativa (TID inferiore, ambiente di radiazioni meno ostile), forse con costi inferiori, potenzialmente con imballaggio in plastica, ecc.

Quanta radiazione devono essere in grado di sopportare questi controllori?

Dipende dall'applicazione. Le missioni spaziali possono richiedere 50-300 krad (Si) o più, occasionalmente fino a livelli di MGy per alcune parti meccaniche. Alcuni motori (come quelli della MACCON) sono qualificati per > 30 MGy.

Quali sono i tipi di motore più comuni utilizzati con i controller rigidi rad?

Motori passo-passo, motori CC brushless, motori CC con spazzole, ibridi. Occasionalmente con circuiti di retroazione come resolver o encoder ottici (ma quelli ottici sono più sensibili alle radiazioni). Il controllo ad anello chiuso aumenta la precisione.

Perché è necessario un imballaggio ermetico?

La tenuta ermetica protegge da contaminazione, acqua e degassamento, garantendo condizioni interne stabili. Utile anche in condizioni di temperature estreme, sotto vuoto e in grado di migliorare l'affidabilità in caso di radiazioni.

In che modo le aziende qualificano i controllori/azionamenti dei motori per le radiazioni?

Vengono testati per la dose ionizzante totale (TID), i danni da spostamento, i disturbi da singolo evento, i latch-up, ecc. Sono inoltre conformi agli standard militari o aerospaziali (ad esempio MIL PRF, QML, standard specifici di altre agenzie). I test vengono effettuati in laboratori accelerati e tramite validazione di missione.