用于空間應(yīng)用的 GaN 電源設(shè)計(jì)的問答

與需要定制制造工藝和封裝以使半導(dǎo)體免受輻射影響的硅不同，氮化鎵 (GaN) 器件由于物理特性和結(jié)構(gòu)而在很大程度上能夠抵抗輻射造成的損壞。

這些屬性可以在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中加以利用。軌道電子必須承受伽馬射線、中子和重離子的影響。質(zhì)子占 空間輻射的 85% ，而較重的原子核占其余部分。輻射會(huì)惡化，中斷敲除衛(wèi)星電子元件。

降解以多種方式發(fā)生，包括晶體崩解。例如，在非導(dǎo)電區(qū)或電子-空穴對(duì)云中產(chǎn)生的陷阱會(huì)因短路而使器件功能失衡。因?yàn)樵?GaN 器件中不能形成電子-空穴對(duì)，所以高能粒子不能引起短路。

問：電子元件和電路的熱管理對(duì)于確保系統(tǒng)在所有操作環(huán)境下的可靠性至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員必須把握 GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體的挑戰(zhàn)，才能充分實(shí)現(xiàn)其承諾。通過在更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度下運(yùn)行來減少電感器和電容器等無源元件，構(gòu)建更輕更小的系統(tǒng)是可行的。與空間相關(guān)的注意事項(xiàng)是什么？

答： 衛(wèi)星成本的最大驅(qū)動(dòng)因素是重量。在電力系統(tǒng)中，重量與效率成正比。系統(tǒng)越高效，它就越小，所需的熱管理就越少。GaN 晶體管的效率遠(yuǎn)高于 Si MOSFET。它們還可以實(shí)現(xiàn)更高頻率的設(shè)計(jì)，從而減小無源元件的尺寸，從而減輕系統(tǒng)的重量。GaN 器件的熱效率也更高，因此它們不僅產(chǎn)生的熱量更少，而且還需要更小的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

問：您如何比較 GaN 器件和硅的效率？

答： 比較抗輻射 GaN 晶體管和抗輻射 Si MOSFET 說明了兩種技術(shù)之間的巨大性能差距。讓我們舉一個(gè)具體的例子，F(xiàn)BG20N18 GaN FET 與 IRHNA67260。兩者都是具有大致相同 [漏源導(dǎo)通電阻] 的 200V 晶體管。然而，GaN 器件……只有十分之一的尺寸和重量；具有開關(guān)所需電容的四十分之一；反向恢復(fù)為零；它更耐輻射，價(jià)格僅為 Si MOSFET 的一半。

問：有哪些部署示例？

答： 當(dāng)今空間軌道系統(tǒng)的兩個(gè)示例是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，例如上面討論的那個(gè)，以及反作用輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。反作用輪使衛(wèi)星保持穩(wěn)定的方向，今天有數(shù)千顆此類衛(wèi)星使用 EPC Space 的 FBS-GAM02 混合模塊在軌道上運(yùn)行。這些模塊包括一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換電子設(shè)備的半橋電路，可節(jié)省空間且抗輻射。太空中也有許多激光雷達(dá)系統(tǒng)使用 GaN 器件，原因與自動(dòng)駕駛汽車使用 GaN 的原因相同：它可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)激光的大電流和極窄脈沖。這些高電流和窄脈沖意味著激光雷達(dá)系統(tǒng)可以看得更遠(yuǎn)，分辨率更高。GaN 器件的抗輻射性降低了任何屏蔽要求。

問：太空供電方面的挑戰(zhàn)是什么？

答： 抗輻射 GaN 晶體管可替代大多數(shù)抗輻射硅 MOSFET?？蛻魧?duì)性能、可靠性，尤其是低成本（大約是抗輻射硅 MOSFET 成本的一半）感到非常滿意。我們收到許多要求將我們的抗輻射產(chǎn)品線擴(kuò)展到集成電路，以便將相同程度的抗輻射擴(kuò)展到系統(tǒng)的其余部分。我們已經(jīng)有可用的 GaN 驅(qū)動(dòng)模塊...... 今年第四季度，我們將推出一系列適用于 GaN 晶體管的 GaN IC 驅(qū)動(dòng)器。未來，我們還將提供抗輻射單片功率級(jí)，例如商用 EPC2152。除了功率級(jí)之外，我們還計(jì)劃將我們的產(chǎn)品發(fā)展成完整的片上系統(tǒng)，這將是抗輻射的。

問：GaN功率晶體管廣泛用于太空中的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用采用的挑戰(zhàn)是什么？您認(rèn)為未來擴(kuò)張的重大機(jī)遇在哪里？

答： 與抗輻射 GaN 器件相比，抗輻射硅 MOSFET 性能更低、更大、更弱且更昂貴。他們也有極長(zhǎng)的交貨時(shí)間。[我們] 沒有看到任何剩余的采用障礙。最具挑戰(zhàn)性的是將第一部分送入太空。衛(wèi)星設(shè)計(jì)師天生保守，因此不愿嘗試新事物。GaN 的優(yōu)勢(shì)非常引人注目，以至于我們能夠說服衛(wèi)星設(shè)計(jì)師從大約五年前開始推出產(chǎn)品。如今，近地軌道到地球同步赤道軌道有超過 50,000 個(gè)組件，GEO 在可靠性和輻射耐受性方面的要求最高。一旦建立了傳統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員就開始迅速使用我們的 GaN 產(chǎn)品。

最大的機(jī)會(huì)將來自 GaN 功率 IC。我們可以將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源集成在幾個(gè) GaN 芯片上——所有這些芯片都非常耐輻射。

可以使用 GaN 的關(guān)鍵領(lǐng)域是射頻和功率轉(zhuǎn)換。由于其小巧的外形和出色的效率，電源設(shè)計(jì)人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅晶體管。與具有更高熱管理需求的硅器件相比，GaN 晶體管消耗的功率更少，并且具有更高的熱導(dǎo)率。新的功率器件本質(zhì)上也是抗輻射的，可以在高達(dá) 600?C 的溫度下工作。由于太空任務(wù)所需的電壓低于典型的交流線路電壓，因此最好使用 200 伏和偶爾 300 伏的設(shè)備。

在該范圍內(nèi)，GaN 的性能剛好優(yōu)于碳化硅，使其成為首選。氮化鎵作為橫向器件，未來也將更容易集成。