宽带隙半导体为通向太空铺平道路

自硅问世以来，宽带隙半导体，如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，已被证明是电力电子领域最有前途的材料。与传统的硅基技术相比，这些材料具有多个优势，例如能够管理高功率水平、对辐射不敏感、能够在高温和开关频率下工作、低噪声、低功率损耗和高效率。因此，WBG 半导体对于下一代太空出生系统的开发具有战略意义。氮化镓的增强型版本 (eGaN) 被广泛用于空间应用的 FET 和 HEMT 的开发。

辐射对功率器件的影响

空间环境具有特定条件，会影响并在某些情况下降低空间材料的机械特性，从而对结构的整体运行行为产生负面影响。

空间辐射流主要由 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能够确保可靠的长期运行。

抗辐射设计从头开始确定电子元件的设计要求，以承受辐射的影响。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，对于保护人类生命或保护重要的太空轨道任务至关重要。

在太空应用中使用的电子元件主要受到由地球磁场中捕获的电子和质子引起的空间辐射（其效应称为 SEE，Single Event Effect 的首字母缩写词）。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 测量的是长时间暴露于电离辐射所产生的影响。TID 暴露量以 rads（辐射吸收剂量）为单位，它量化了材料对辐射的总暴露量。

给定特定设备，总剂量辐射阈值是会导致设备故障的最小辐射水平。大多数抗辐射商用设备在发生功能故障之前最多可承受 5 krad。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导致电子电路中的一系列不同的 SEE，包括单事件翻转 (SEU)、单事件瞬态 (SET)、单事件功能中断 (SEFI)、单事件门破裂 (SEGR) 和单事件烧毁 (SEB)。SEE 事件会导致系统性能下降，甚至完全破坏。因此，为了确保高度的可靠性，

WBG advantages in space-born systems

减轻重量和尺寸以及高效率和可靠性是用于航天器的每个组件的基本要求。GaN 功率器件以当今可用的最小占地面积提供最高水平的效率。砷化镓在电磁兼容性 (EMI) 方面也具有出色的特性：降低的寄生电容减少了开关周期期间存储和释放的能量，同时减小的占用空间提高了环路电感，特别是作为收发器天线的隐蔽性。用于太空任务、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 Rad Hard 器件。这允许在卫星、数据传输、无人机、机器人和航天器上实施创新架构。

增强型氮化镓 HEMT

Rad Hard MOSFET 已达到不那么新的技术的极限，具有大芯片尺寸和性能品质因数 (FoM)，由公式 FoM = RDS(ON)* Ciss 表示，远高于增强型 GaN 晶体管。品质因数是一个非常重要的参数，它的值越小，系统的效率就越好。增强型 GaN HEMT 也更容易驱动，因为它们需要的栅极电荷比最好的 Rad Hard MOSFET 少 10 到 40 倍。物理尺寸也有利于 GaN 器件，它可以直接安装在陶瓷基板上，无需任何外部封装。因此可以消除引线键合和相关电感，达到非常高的开关速率。eGaN 开关速度仅由栅极和漏极节点的电阻和电容决定。开关时间可以轻松达到亚纳秒级，

辐射硬化 GaN 解决方案

瑞萨电子是先进半导体解决方案的领先供应商，已开发出业界首个抗辐射 100V 和 200V GaN FET 电源解决方案，适用于太空系统中的初级和次级 DC/DC 转换器电源。这些 GaN FET 已针对破坏性单事件效应 (SEE) 进行了表征，并针对总电离剂量 (TID) 辐射进行了测试。的ISL7023SEH100V，60A的GaN FET和ISL70024SEH 200V，7.5A的GaN FET提供高达大小更好的性能10项目比硅MOSFET而减少50％的封装尺寸。它们还可以减轻电源重量并以更少的开关功率损耗实现更高的电源效率。5mΩ RDS(ON)和 14nC (QG)，ISL70023SEH 可实现业界最佳品质因数 (FOM)。图 1 显示了非常低的 RDS(ON)。

图 1：ISL7023SEH GaN 功率晶体管的RDS(ON)

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

GaN 技术的效率高达 95%，与传统的抗辐射硅产品相比，效率更高。它专为需要高效率、低噪声和辐射耐受性的星载电信而设计（图 2）。

Freebird Semiconductor 提供多种集成在 GaN 适配器模块 (GAM) 中的高可靠性 GaN HEMT 分立器件，创造了多功能电源模块系列中的专利电路。这些通用 GaN 适配器模块（图 3）将 eGaN® 开关电源 HEMT 与基于 GaN 的高速栅极驱动电路相结合，用于商业卫星空间环境中的最终用途设计。

图2：SGRB系列DC-DC转换器

图 3：Freebird 的 GaN 适配器模块

抗辐射 FBS-GAM01-P-C50 单低侧电源开发驱动器模块包含 GaN® 开关电源 HEMT。这些器件与 Freebird Semiconductors FDA10N30X 输出功率 eGaN® HEMT 开关、输出钳位肖特基二极管集成，并由完全由 eGaN® 开关元件组成的高速栅极驱动电路进行优化驱动。进一步的 +5V 输入 VBIAS 过压钳位保护以及 VBIAS 欠压驱动器禁用和报告包含在创新、节省空间的 9 引脚 SMT 包覆成型环氧树脂封装中，为 FBS 提供了一个出色的工程黄铜板开发平台-GAM01-P-R50 飞行单元版本。

结论

电子话题在当今的航空航天环境中变得越来越普遍。工程师们正在开发数量不断增加的开发系统，例如航天器和卫星。可靠、持续的电源对于太空任务的成功至关重要。

在实际应用中，改用 SiC 或 GaN 制成的宽带半导体的主要优势是功率转换效率的提高。

宽带半导体在高温下工作的能力也具有重要意义。它们不仅可以用于更高热量的情况，而且宽带半导体需要较少的整体冷却，从而减少了电源转换器中冷却组件的空间和费用。

审核编辑 黄昊宇