自硅問(wèn)世以來(lái)，寬帶隙半導(dǎo)體，如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，已被證明是電力電子領(lǐng)域最有前途的材料。與傳統(tǒng)的硅基技術(shù)相比，這些材料具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)，例如能夠管理高功率水平、對(duì)輻射不敏感、能夠在高溫和開(kāi)關(guān)頻率下工作、低噪聲、低功率損耗和高效率。因此，WBG 半導(dǎo)體對(duì)于下一代太空出生系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有戰(zhàn)略意義。氮化鎵的增強(qiáng)型版本 (eGaN) 被廣泛用于空間應(yīng)用的 FET 和 HEMT 的開(kāi)發(fā)。

輻射對(duì)功率器件的影響

空間環(huán)境具有特定條件，會(huì)影響并在某些情況下降低空間材料的機(jī)械特性，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的整體運(yùn)行行為產(chǎn)生負(fù)面影響。

空間輻射流主要由 85% 的質(zhì)子和 15% 的重核組成。輻射的影響會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降、中斷和不連續(xù)。空間合格組件的主要要求是能夠確保可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行。

抗輻射設(shè)計(jì)從頭開(kāi)始確定電子元件的設(shè)計(jì)要求，以承受輻射的影響。它可能是最昂貴和最耗時(shí)的方法之一，但有時(shí)它是電子元件的唯一解決方案，對(duì)于保護(hù)人類生命或保護(hù)重要的太空軌道任務(wù)至關(guān)重要。

在太空應(yīng)用中使用的電子元件主要受到由地球磁場(chǎng)中捕獲的電子和質(zhì)子引起的空間輻射（其效應(yīng)稱為 SEE，Single Event Effect 的首字母縮寫(xiě)詞）。空間輻射的另一個(gè)重要影響是總電離劑量 (TID)。這兩個(gè)概念之間的區(qū)別非常簡(jiǎn)單：SEE 是單個(gè)高能粒子撞擊設(shè)備產(chǎn)生的結(jié)果，而 TID 測(cè)量的是長(zhǎng)時(shí)間暴露于電離輻射所產(chǎn)生的影響。TID 暴露量以 rads（輻射吸收劑量）為單位，它量化了材料對(duì)輻射的總暴露量。

給定特定設(shè)備，總劑量輻射閾值是會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障的最小輻射水平。大多數(shù)抗輻射商用設(shè)備在發(fā)生功能故障之前最多可承受 5 krad。SEE 指標(biāo)在衛(wèi)星和航天器等應(yīng)用中變得尤為重要。這些系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境中存在的高密度質(zhì)子和離子會(huì)導(dǎo)致電子電路中的一系列不同的 SEE，包括單事件翻轉(zhuǎn) (SEU)、單事件瞬態(tài) (SET)、單事件功能中斷 (SEFI)、單事件門(mén)破裂 (SEGR) 和單事件燒毀 (SEB)。SEE 事件會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至完全破壞。因此，為了確保高度的可靠性，

WBG advantages in space-born systems

減輕重量和尺寸以及高效率和可靠性是用于航天器的每個(gè)組件的基本要求。GaN 功率器件以當(dāng)今可用的最小占地面積提供最高水平的效率。砷化鎵在電磁兼容性 (EMI) 方面也具有出色的特性：降低的寄生電容減少了開(kāi)關(guān)周期期間存儲(chǔ)和釋放的能量，同時(shí)減小的占用空間提高了環(huán)路電感，特別是作為收發(fā)器天線的隱蔽性。用于太空任務(wù)、高空飛行或戰(zhàn)略軍事應(yīng)用等關(guān)鍵應(yīng)用的電源設(shè)備必須能夠抵抗電離輻射引起的故障和故障。商用 GaN 功率器件的性能明顯高于基于硅技術(shù)的傳統(tǒng) Rad Hard 器件。這允許在衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人和航天器上實(shí)施創(chuàng)新架構(gòu)。

增強(qiáng)型氮化鎵 HEMT

Rad Hard MOSFET 已達(dá)到不那么新的技術(shù)的極限，具有大芯片尺寸和性能品質(zhì)因數(shù) (FoM)，由公式 FoM = RDS(ON)* Ciss 表示，遠(yuǎn)高于增強(qiáng)型 GaN 晶體管。品質(zhì)因數(shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它的值越小，系統(tǒng)的效率就越好。增強(qiáng)型 GaN HEMT 也更容易驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗鼈冃枰臇艠O電荷比最好的 Rad Hard MOSFET 少 10 到 40 倍。物理尺寸也有利于 GaN 器件，它可以直接安裝在陶瓷基板上，無(wú)需任何外部封裝。因此可以消除引線鍵合和相關(guān)電感，達(dá)到非常高的開(kāi)關(guān)速率。eGaN 開(kāi)關(guān)速度僅由柵極和漏極節(jié)點(diǎn)的電阻和電容決定。開(kāi)關(guān)時(shí)間可以輕松達(dá)到亞納秒級(jí)，

輻射硬化 GaN 解決方案

瑞薩電子是先進(jìn)半導(dǎo)體解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，已開(kāi)發(fā)出業(yè)界首個(gè)抗輻射 100V 和 200V GaN FET 電源解決方案，適用于太空系統(tǒng)中的初級(jí)和次級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器電源。這些 GaN FET 已針對(duì)破壞性單事件效應(yīng) (SEE) 進(jìn)行了表征，并針對(duì)總電離劑量 (TID) 輻射進(jìn)行了測(cè)試。的ISL7023SEH100V，60A的GaN FET和ISL70024SEH 200V，7.5A的GaN FET提供高達(dá)大小更好的性能10項(xiàng)目比硅MOSFET而減少50％的封裝尺寸。它們還可以減輕電源重量并以更少的開(kāi)關(guān)功率損耗實(shí)現(xiàn)更高的電源效率。5mΩ RDS(ON)和 14nC (QG)，ISL70023SEH 可實(shí)現(xiàn)業(yè)界最佳品質(zhì)因數(shù) (FOM)。圖 1 顯示了非常低的 RDS(ON)。

圖 1：ISL7023SEH GaN 功率晶體管的RDS(ON)

VPT, Inc. 提供 SGRB 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，專為太空應(yīng)用的惡劣輻射環(huán)境而設(shè)計(jì)。SGRB 系列基于先進(jìn)的 GaN 技術(shù)，可提供高效率，從而減少系統(tǒng)尺寸、重量和成本。

GaN 技術(shù)的效率高達(dá) 95%，與傳統(tǒng)的抗輻射硅產(chǎn)品相比，效率更高。它專為需要高效率、低噪聲和輻射耐受性的星載電信而設(shè)計(jì)（圖 2）。

Freebird Semiconductor 提供多種集成在 GaN 適配器模塊 (GAM) 中的高可靠性 GaN HEMT 分立器件，創(chuàng)造了多功能電源模塊系列中的專利電路。這些通用 GaN 適配器模塊（圖 3）將 eGaN? 開(kāi)關(guān)電源 HEMT 與基于 GaN 的高速柵極驅(qū)動(dòng)電路相結(jié)合，用于商業(yè)衛(wèi)星空間環(huán)境中的最終用途設(shè)計(jì)。

圖2：SGRB系列DC-DC轉(zhuǎn)換器

圖 3：Freebird 的 GaN 適配器模塊

抗輻射 FBS-GAM01-P-C50 單低側(cè)電源開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)器模塊包含 GaN? 開(kāi)關(guān)電源 HEMT。這些器件與 Freebird Semiconductors FDA10N30X 輸出功率 eGaN? HEMT 開(kāi)關(guān)、輸出鉗位肖特基二極管集成，并由完全由 eGaN? 開(kāi)關(guān)元件組成的高速柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行優(yōu)化驅(qū)動(dòng)。進(jìn)一步的 +5V 輸入 VBIAS 過(guò)壓鉗位保護(hù)以及 VBIAS 欠壓驅(qū)動(dòng)器禁用和報(bào)告包含在創(chuàng)新、節(jié)省空間的 9 引腳 SMT 包覆成型環(huán)氧樹(shù)脂封裝中，為 FBS 提供了一個(gè)出色的工程黃銅板開(kāi)發(fā)平臺(tái)-GAM01-P-R50 飛行單元版本。

結(jié)論

電子話題在當(dāng)今的航空航天環(huán)境中變得越來(lái)越普遍。工程師們正在開(kāi)發(fā)數(shù)量不斷增加的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，例如航天器和衛(wèi)星。可靠、持續(xù)的電源對(duì)于太空任務(wù)的成功至關(guān)重要。

在實(shí)際應(yīng)用中，改用 SiC 或 GaN 制成的寬帶半導(dǎo)體的主要優(yōu)勢(shì)是功率轉(zhuǎn)換效率的提高。

寬帶半導(dǎo)體在高溫下工作的能力也具有重要意義。它們不僅可以用于更高熱量的情況，而且寬帶半導(dǎo)體需要較少的整體冷卻，從而減少了電源轉(zhuǎn)換器中冷卻組件的空間和費(fèi)用。

審核編輯 黃昊宇