宽带隙半导体终结了硅的主导地位

宽带隙 (WBG) 半导体，例如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，已经终结了硅在电力电子领域的主导地位。自硅问世以来，WBG 半导体被证明是电力电子行业最有前途的材料。与传统的硅基技术相比，这些材料具有多项优势，例如能够管理高功率水平、对辐射不敏感、高温操作、高开关频率、低噪声、低功率损耗和高效率。

WBG 半导体对于下一代星载系统的开发具有战略意义。氮化镓的增强模式版本 (eGaN) 广泛用于开发用于空间应用的 FET 和 HEMT。

辐射对功率器件

的影响 太空环境具有特定的条件，这些条件会影响并且在某些情况下会降低天基材料的机械特性，从而对系统运行的整体行为产生负面影响。空间辐射主要由 85% 的质子和 15% 的重核组成。辐射的影响会导致设备性能下降、中断和不连续。

空间合格组件的主要要求是确保长期可靠运行的能力。抗辐射或抗辐射设计决定了电子元件承受辐射影响的要求。它可能是最昂贵和最耗时的方法之一，但有时它是电子元件的唯一解决方案，以保护人类生命或保障重要的太空轨道任务。

星载应用中使用的电子元件主要受到空间辐射，称为单粒子效应或 SEE，由地球磁场中捕获的电子和质子引起。空间辐射的另一个重要影响是总电离剂量 (TID)。这两个概念之间的区别非常简单：SEE 是单个高能粒子撞击设备产生的结果，而 TID 衡量的是长时间暴露于电离辐射所产生的影响。

TID 暴露量以辐射吸收剂量 (rads) 为单位测量，量化了材料对辐射的总暴露量。给定一个特定的设备，总剂量辐射阈值是导致设备故障的最小辐射水平。大多数抗辐射商业设备在发生功能故障之前可以承受高达 5 krads 的温度。SEE 指标在卫星和航天器等应用中变得尤为重要。这些系统运行的环境中存在的高密度质子和离子会在电子电路中引起一系列不同的 SEE，包括单粒子翻转 (SEU)、单粒子瞬态 (SET)、单粒子功能中断 ( SEFI)、单事件栅极破裂 (SEGR) 和单事件烧毁 (SEB)。

SEE 事件可能导致系统性能下降，甚至完全破坏。为了确保高度的可靠性，有必要选择已经测量并声明了辐射产生的影响的组件。

WBG 在星载系统中的优势

减轻重量和尺寸，以及高效率和可靠性，是用于航天器的组件的基本要求。GaN 功率器件在当今可用的最小占位面积内提供最高水平的效率。氮化镓在电磁兼容性 (EMC) 方面也具有出色的特性：减小的寄生电容减少了开关周期期间存储和释放的能量，而减小的占位面积提高了环路电感，特别是在用作收发器天线时具有隐蔽性。

用于空间任务、高空飞行或战略军事应用等关键应用的电源设备必须能够抵抗由电离辐射引起的故障和故障。商用 GaN 功率器件的性能明显高于基于硅技术的传统抗辐射器件。这允许为卫星、数据传输、无人机、机器人和航天器中的应用实施创新架构。

增强型 GaN HEMT

抗辐射 MOSFET 已达到其技术极限，芯片尺寸大，性能品质因数 (FoM) 由公式 FoM = RDS(ON) × Ciss 表示，远高于 eGaN 晶体管。FoM是一个非常重要的参数：值越小，系统的效率就越好。

此外，eGaN HEMT 更容易驱动，因为它们需要的栅极电荷比最好的抗辐射 MOSFET 少 10 到 40 倍。GaN 器件也可以直接安装在陶瓷基板上，无需任何外部封装。可以消除焊线和相关电感，从而实现非常高的开关速率。eGaN 开关速度仅由栅极和漏极节点的电阻和电容决定。

开关时间很容易达到亚纳秒级，因此在使用这些高性能器件时，应特别注意开发的设计和 PCB 布局阶段。

抗辐射 GaN 解决方案

领先的先进半导体解决方案供应商瑞萨电子已开发出业界首个抗辐射 100-V 和 200-V GaN FET 电源解决方案，适用于在星载中启用初级和次级 DC/DC 转换器电源系统。这些 GaN FET 已针对破坏性单事件效应进行了表征，并针对 TID 辐射进行了测试。ISL7023SEH 100-V、60-A GaN FET 和 ISL70024SEH 200-V、7.5-A GaN FET 提供比硅 MOSFET 高出多达 10 个数量级的性能，同时将封装尺寸减小了 50%。

它们还减轻了电源重量，并以更少的开关功率损耗实现了更高的电源效率。在 5mΩ RDS(ON) 和 14nC (QG) 条件下，ISL70023SEH 实现了业界最佳的品质因数。

VPT Inc. 提供 SGRB 系列 DC/DC 转换器，专为太空应用中的恶劣辐射环境而设计。基于先进的 GaN 技术，SGRB 系列可提供高效率，从而减小系统尺寸、重量和成本。

该系列的 GaN 技术效率高达 95%，与传统的抗辐射硅产品相比，效率更高。它专为要求高效率、低噪声和辐射耐受性的星载电信而设计。

Freebird Semiconductor 提供多种集成到 GaN 适配器模块 (GAM) 中的高可靠性 GaN HEMT 分立器件，在其多功能电源模块系列中创建了专利电路。这些通用 GaN 适配器模块将 eGaN 开关电源 HEMT 与基于 GaN 的高速栅极驱动电路相结合，用于商业卫星。

抗辐射 FBS-GAM01-P-C50 单低侧电源开发驱动器模块将 GaN 开关电源 HEMT 集成在九引脚 SMT 包覆成型环氧树脂封装中。集成器件包括 Freebird 的 FDA10N30X 输出功率 eGaN HEMT 开关和输出钳位肖特基二极管，由完全由 eGaN 开关元件组成的高速栅极驱动电路进行最佳驱动。它还包括 5V 输入 VBIAS 过压钳位保护以及 VBIAS 欠压驱动器禁用和报告。SMT 包覆成型环氧树脂封装为 FBS-GAM01-P-R50 飞行单元版本提供了工程开发平台。

审核编辑：汤梓红