基于GaN的耐辐射DC/DC转换器提高关键应用的效率

在过去几年中，太空市场通过采用太空系统中前所未有的新技术，一直在朝着更高效的电源解决方案迈进。太空硬件会受到包括电离辐射在内的恶劣环境条件的影响，因此需要使用抗辐射组件。几年前，抗辐射功率 MOSFET 已经面世，但它们牺牲了电气性能以实现出色的抗辐射能力。这导致航天级电源的转换效率远低于商用电源。在最新的技术中出现了氮化镓（GaN），一种宽带隙半导体，具有比硅更高的功率转换效率和固有的抗辐射能力。除了能够显着提高不同拓扑结构和各种功率级别的商用 DC/DC 转换器的效率外，基于 GaN 的 FET 还被证明对伽马辐射和单事件效应 （SEE） 具有显着的耐受性。所有这些特性使GaN FET非常适合用于卫星和运载火箭的电源中。

CAES 单级隔离式 DC/DC 转换器

CAES（前身为 Cobham Advanced Electronic Solutions）推出了业界首个基于 GaN 的单级隔离式 DC/DC 转换器，用于高吞吐量卫星有效载荷。新的 SCD51028XXX 产品系列提供业界最高效的电源转换模块，以实现可重新编程和软件定义的有效载荷。

借助这款新型 GaN 单级隔离转换器，CAES 已将总线电源直接转换到负载点 （POL），而不是使用多级来获得负载点所需的较低电压。与通常实现约 80% 整体效率的两级转换器不同，CAES 的单级转换器可以利用 GaN 技术在满载和 50% 负载下提供更高的效率。

“我们创造了一种新的单级转换器，当我们从 28V 等总线电压到可低至 0.8V 的负载电压点时，它使我们的效率超过 90%，”Dave Young 说， CAES 首席技术官。

更高的效率对于新的卫星产品尤其重要，这会对卫星的热设计、电池电量、太阳能电池阵列以及实现低功耗解决方案所需的所有设备产生相关影响。

“我们很高兴该产品将支持更小的系统。我们的产品只有 3 英寸宽、2 英寸长，因此它甚至可以安装在最小的 LEO 卫星中，而且我们将能够获得比过去更高的功率转换效率，”Dave Young 说。

DC/DC 转换器的功能框图如图 2 所示，是一款隔离式降压稳压器，专为耐辐射而设计。它代表了 LEO 星座和更大的卫星的经济实惠的解决方案，执行不同负载点所需的低功率转换。

图 2：CAES 51028XXX 系列功能框图

氮化镓提供比硅更优越的特性，不仅因为它的高开关频率和低 RDS（ON），还因为它天生具有抗辐射能力，这意味着它可以承受外太空等辐射环境。

“尽管航天工业非常保守，但 GaN 的辐射硬度允许我们在太空中使用它。我们可以让我们的转换器以更高的频率进行开关，使磁性、RDS （ON）和占位面积更小，并使芯片更高效”，CAES 电源系统首席架构师 Dan Gonzalez 说。

由于 GaN 对航天工业来说是一种相对较新的材料，因此组件级的筛选非常严格。CAES 的工程师必须证明该设备能够满足空间要求，增加了额外的寿命测试和老化鉴定测试。这些测试大多基于 MIL-PRF-38534 标准（K 类和 H 类），适用于电源模块或 DC/DC 转换器等多芯片模块和系统。

今天，许多卫星和空间系统都基于 28V 总线电压。然而，CAES 也在向更高的电压（例如 100V）推进和发展，以满足来自航天工业的这一日益增长的要求。

“目前，已经开发了许多使用 28V 总线电压的负载点和系统。因此，28V 是我们基于 GaN 的转换器针对的第一个输入电压”，Dan Gonzalez 说。

DC/DC 转换器既可用于单独运行，也可在具有共享控制级别的并联运行中使用。由于这些模块是相对大电流的模块（它们在较低的电压下可以提供高达 50A 的电流），因此工程师在模块并联时应非常注意布局。并联模块和负载之间非常小的阻抗差异实际上可能代表相当多的下降。

如图 2 所示，转换器实现了远程检测功能，这意味着它能够在低于标准输出的电压下调节输出。其他功能包括可配置的软启动，它允许您通过添加外部电容器来设置比默认值 （2ms） 更长的上升时间，以及用于处理外部同步信号的专用输入引脚。当两个转换器使用同步引脚同步时，它们将同相或 180° 异相工作。内置保护功能确保设备的安全，包括输入过压和欠压关断、过流和短路保护。

新转换器不会造成任何热管理问题，因为转换器中散发的所有热量都可以通过器件的引线带走。作为高电流模块，PCB 走线具有高含量的铜以减少 IR-Drop，但这也允许热量传播。

“我们的热分析和测量表明，从转换器的最热点到最冷点（即设备的引线），只有 2-3°C 的差异”，Dan Gonzalez 说。

虽然 CAES GaN 基 DC/DC 转换器适用于 LEO 和 GEO 轨道，但它们的设计目的是尽可能降低成本，使它们对 LEO 星座更具吸引力，因为有计划放置大量廉价卫星在上面。

“客户总是希望设备尺寸更小、效率更高且成本合理。我们认为该设备在所有三个方面都达到了这一标准。我们将继续在其他电源转换应用中推广和推进 GaN FET，不仅是隔离式 DC/DC 转换器，还有降压转换器、电机驱动器、电源控制器和总线控制器。我们的路线图包括所有这些项目，以及不同的电压水平”，Dan Gonzalez 说。

审核编辑：郭婷