用于空间应用的 GaN 电源设计的问答

与需要定制制造工艺和封装以使半导体免受辐射影响的硅不同，氮化镓 (GaN) 器件由于物理特性和结构而在很大程度上能够抵抗辐射造成的损坏。

这些属性可以在卫星设计中加以利用。轨道电子必须承受伽马射线、中子和重离子的影响。质子占 空间辐射的 85% ，而较重的原子核占其余部分。辐射会恶化，中断敲除卫星电子元件。

降解以多种方式发生，包括晶体崩解。例如，在非导电区或电子-空穴对云中产生的陷阱会因短路而使器件功能失衡。因为在 GaN 器件中不能形成电子-空穴对，所以高能粒子不能引起短路。

问：电子元件和电路的热管理对于确保系统在所有操作环境下的可靠性至关重要。设计人员必须把握 GaN 等宽带隙半导体的挑战，才能充分实现其承诺。通过在更高的开关频率和更高的功率密度下运行来减少电感器和电容器等无源元件，构建更轻更小的系统是可行的。与空间相关的注意事项是什么？

答： 卫星成本的最大驱动因素是重量。在电力系统中，重量与效率成正比。系统越高效，它就越小，所需的热管理就越少。GaN 晶体管的效率远高于 Si MOSFET。它们还可以实现更高频率的设计，从而减小无源元件的尺寸，从而减轻系统的重量。GaN 器件的热效率也更高，因此它们不仅产生的热量更少，而且还需要更小的热管理系统进行冷却。

问：您如何比较 GaN 器件和硅的效率？

答： 比较抗辐射 GaN 晶体管和抗辐射 Si MOSFET 说明了两种技术之间的巨大性能差距。让我们举一个具体的例子，FBG20N18 GaN FET 与 IRHNA67260。两者都是具有大致相同 [漏源导通电阻] 的 200V 晶体管。然而，GaN 器件……只有十分之一的尺寸和重量；具有开关所需电容的四十分之一；反向恢复为零；它更耐辐射，价格仅为 Si MOSFET 的一半。

问：有哪些部署示例？

答： 当今空间轨道系统的两个示例是 DC/DC 转换器，例如上面讨论的那个，以及反作用轮电机驱动器。反作用轮使卫星保持稳定的方向，今天有数千颗此类卫星使用 EPC Space 的 FBS-GAM02 混合模块在轨道上运行。这些模块包括一个带有驱动和电平转换电子设备的半桥电路，可节省空间且抗辐射。太空中也有许多激光雷达系统使用 GaN 器件，原因与自动驾驶汽车使用 GaN 的原因相同：它可以产生驱动激光的大电流和极窄脉冲。这些高电流和窄脉冲意味着激光雷达系统可以看得更远，分辨率更高。GaN 器件的抗辐射性降低了任何屏蔽要求。

问：太空供电方面的挑战是什么？

答： 抗辐射 GaN 晶体管可替代大多数抗辐射硅 MOSFET。客户对性能、可靠性，尤其是低成本（大约是抗辐射硅 MOSFET 成本的一半）感到非常满意。我们收到许多要求将我们的抗辐射产品线扩展到集成电路，以便将相同程度的抗辐射扩展到系统的其余部分。我们已经有可用的 GaN 驱动模块...... 今年第四季度，我们将推出一系列适用于 GaN 晶体管的 GaN IC 驱动器。未来，我们还将提供抗辐射单片功率级，例如商用 EPC2152。除了功率级之外，我们还计划将我们的产品发展成完整的片上系统，这将是抗辐射的。

问：GaN功率晶体管广泛用于太空中的功率转换应用。实现空间应用采用的挑战是什么？您认为未来扩张的重大机遇在哪里？

答： 与抗辐射 GaN 器件相比，抗辐射硅 MOSFET 性能更低、更大、更弱且更昂贵。他们也有极长的交货时间。[我们] 没有看到任何剩余的采用障碍。最具挑战性的是将第一部分送入太空。卫星设计师天生保守，因此不愿尝试新事物。GaN 的优势非常引人注目，以至于我们能够说服卫星设计师从大约五年前开始推出产品。如今，近地轨道到地球同步赤道轨道有超过 50,000 个组件，GEO 在可靠性和辐射耐受性方面的要求最高。一旦建立了传统，设计人员就开始迅速使用我们的 GaN 产品。

最大的机会将来自 GaN 功率 IC。我们可以将电机驱动器和电源集成在几个 GaN 芯片上——所有这些芯片都非常耐辐射。

可以使用 GaN 的关键领域是射频和功率转换。由于其小巧的外形和出色的效率，电源设计人员可以选择 GaN 晶体管而不是硅晶体管。与具有更高热管理需求的硅器件相比，GaN 晶体管消耗的功率更少，并且具有更高的热导率。新的功率器件本质上也是抗辐射的，可以在高达 600˚C 的温度下工作。由于太空任务所需的电压低于典型的交流线路电压，因此最好使用 200 伏和偶尔 300 伏的设备。

在该范围内，GaN 的性能刚好优于碳化硅，使其成为首选。氮化镓作为横向器件，未来也将更容易集成。