GaN 和 SiC 功率器件为军用/航空系统带来巨大优势

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，《电力电子新闻》主编

军事和航空航天平台对更高功率密度和改进冷却的日益增长的需求正在将基于硅的电力电子系统推向其运行极限。宽带隙 (WBG) 半导体材料——碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)——提供了新一代宽带功率器件，在这些应用中与硅基对应物相比具有巨大优势。

WBG 电源模块提供的特性和功能比硅同类产品高出几个数量级，包括 10 倍的电压阻断能力、10 倍至 100 倍的开关速度能力以及十分之一的能量损失。它们还具有固有的抗辐射（rad-hard）特性，并提供高达 600°C 的理论结温运行。除了降低冷却要求外，该技术还可以为电力系统提供比当前基于硅的设备高出 10 倍的功率密度。

碳化硅承诺为航空航天业提供更轻的组件，以降低燃料消耗和排放。这种材料有助于在更小、更轻的设备中针对给定的电压和电流额定值实现更高的开关和更高的功率密度。

GaN 与硅一样，可用于制造二极管和晶体管等半导体器件。电源设计人员可以选择 GaN 晶体管而不是硅，因为它具有小尺寸和高效率。与具有更高热管理要求的硅器件相比，GaN 晶体管还消耗更少的功率并提供更高的热导率。

在这种情况下，65V GaN 技术正在触发新一代雷达系统，这些雷达系统也为一系列商业应用开辟了机会。

作为横向扩散 MOSFET (LDMOS) 组件的替代品或替代品，GaN 组件在雷达系统设计中的使用正在迅速增长。LDMOS晶体管具有更高的C GS /C DS电容，这将限制带宽，与具有低得多的寄生电容的GaN晶体管相比，这使得在相同功率水平下更容易进行宽带匹配。

用于航空航天的 SiC与过去几十年相比，航空工业最近经历了快速增长。新的航空航天世界在用于电源和电机控制应用的 SiC 器件中找到了新的电源管理解决方案。碳化硅有望在航空工业中使用重量轻的组件来减少燃料消耗和排放，而碳化硅 MOSFET 在更高工作温度下的稳定运行也引起了研究人员对高功率密度功率转换器的兴趣。

然而，使用 SiC 器件的电力电子和电机驱动电路的关键设计问题之一是栅极驱动调节电路的管理。管理门控时序是一项严峻的挑战。新的 1,200-V SiC MOSFET 在高沟道迁移率、氧化物寿命和阈值电压稳定性方面达到了出色的质量水平，以应对这一挑战。

Solid State Devices 推出 SFC35N120 1,200-V SiC 功率 MOSFET，用于高可靠性航空航天和国防电力电子应用，如高压 DC/DC 转换器和 PFC 升压转换器。

这些 N 沟道 MOSFET 在 20 A 和 25°C 下提供 26 A 至 30 A 的最大连续漏极电流和最大 96 µΩ 的低 R DS(ON)。该器件在 150°C 时的最大点火电阻为 190 mΩ，还具有高温性能，允许使用更小的器件，便于并行配置，并减少风扇和散热器等热管理硬件。

另一种解决方案是 1,200-V CAS325M12HM2 SiC 电源模块，配置为 SiC 半桥拓扑，来自 Cree 公司 Wolfspeed。它代表了采用高性能 62 毫米封装的新一代全 SiC 功率模块。该模块使用 1,200-V C2M SiC MOSFET 和 1,200-V 肖特基二极管（图 2）。

图 2：CAS325M12HM2 SiC 电源模块（图片：Wolfspeed）

GaN at 65 V雷达系统主要用于军事和国防目的，也广泛用于汽车领域。最常见的军用雷达市场是超高频 (UHF) 雷达、有源电子扫描阵列 (AESA) 雷达、敌我识别 (IFF) 和距离测量设备 (DME)。这些市场需要成百上千瓦的功率放大。

功率放大等技术进步正在推动轻量级解决方案的发展。这些应用中使用的主要技术是 HEMT GaN，因为它具有卓越的性能。

由于其在 L 波段及更高波段以及最近的 UHF 波段的高增益和高功率水平，GaN 在许多应用中迅速获得了青睐。SiC 衬底上的 GaN HEMT 晶体管可提供出色的散热性能以实现长期可靠性。GaN-on-SiC 非常适合高功率脉冲应用，其功率密度可实现出色的冷却管理。出于各种原因，当今的雷达越来越多地使用 GaN-on-SiC 射频晶体管技术。这些包括增加的功率、高效率、更高的稳健性、更低的功耗、更小的尺寸、频率可用性、更高的通道温度和更长的寿命。

在空间应用中，GaN-on-SiC 的可行性最近有所提高，特别是在 GaN 效率与更高频率工作相辅相成的应用中。GaN 毫米波 (mmWave) 的功率密度带来了一套新的设计技术，可用于实现更高水平的热补偿。

Qorvo Inc. 提供各种额定功率的晶体管，以更小、更可靠的外形尺寸实现高功率千瓦级放大。例如，65V GaN-on-SiC 实现了小尺寸、更低的运营成本和更低的射频前端复杂性。

Qorvo QPD1013 是一款 150W (P3dB) 分立式 GaN-on-SiC HEMT，工作频率范围为直流至 2.7 GHz。这是一款采用包覆成型塑料封装的单级、无与伦比的功率放大器晶体管。QPD1013 的高功率和宽带宽使其适用于许多不同的应用（图 3）。

图 3：Qorvo QPD1013 的框图（图片：Qorvo）

与更传统的解决方案相比，GaN 技术可以极大地改进最新一代的 AESA 雷达，旨在显着提高检测系统的可靠性、准确性、性能和配置灵活性。例如，在后者中，无源电子扫描阵列 (PESA) 雷达，甚至是带有伺服电机驱动天线的不太复杂的系统，都会受到磨损，并且随着工作周期的增加，故障风险也会增加。

WBG 半导体在下一代星载系统的开发中具有重要的战略意义。GaN 的增强模式版本 (eGaN) 广泛用于开发用于空间应用的 FET 和 HEMT。

eGaN FET 可提供辐射耐受性、快速开关速度和更高的效率，从而实现更小、更轻的电源（更小的磁体和更小的散热器尺寸，甚至在许多情况下无需散热器）。电源设计人员可以选择是增加频率以允许使用更小的磁体，还是提高效率，甚至为两者设计一个令人满意的平衡点。

eGaN FET 比等效的 MOSFET 小。它们提供更快的瞬态响应，这也可以减小电容器尺寸。

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。与基于硅技术的传统抗辐射器件相比，商用 GaN 功率器件的性能显着提高。

审核编辑 黄昊宇