現(xiàn)代電信衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)旨在將它們放置在正確的軌道上并使其能夠更有效地運(yùn)行。衛(wèi)星由核心部分組成，其中包含大部分電氣設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)和相關(guān)的坦克。通過伽馬射線、中子和重離子，地球軌道上不同衛(wèi)星以及最遠(yuǎn)位置的探索衛(wèi)星上的電子設(shè)備暴露在某種能量下。

質(zhì)子占空間輻射的85% ，而較重的原子核占 15%。輻射的影響會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的功能惡化、中斷或停止。

這種轟擊會(huì)以多種方式損害半導(dǎo)體，包括晶體分解。例如，它可能會(huì)在非導(dǎo)電區(qū)或電子-空穴對(duì)云中產(chǎn)生陷阱，從而通過引起短路來使設(shè)備的功能失衡。因?yàn)樵?a href="http://m.makelele.cn/tags/氮化鎵/" target="_blank">氮化鎵器件中不能形成電子-空穴對(duì)，所以來自太空的高能粒子不能引起短暫的短路。

與硅不同，硅需要特定的制造工藝和封裝來使半導(dǎo)體免受輻射的影響，而GaN 器件由于其物理特性和結(jié)構(gòu)而在很大程度上抵抗空間輻射造成的損壞。

在接受EPC首席執(zhí)行官 Alex Lidow 的采訪時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了 GaN 用于空間應(yīng)用的特性。

亞歷克斯·利多

電力電子新聞：GaN 功率半導(dǎo)體在嚴(yán)酷的輻射條件下實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用的創(chuàng)新。我們?cè)诳臻g設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮 GaN 的主要特性是什么？可能導(dǎo)致 GaN 問題的最嚴(yán)重輻射影響是什么？

Alex Lidow：增強(qiáng)型 GaN 晶體管和 IC 沒有將柵電極與傳導(dǎo)通道分開的氧化物。在 Si MOSFET 中，這種氧化物捕獲來自星載伽馬輻射的電荷，導(dǎo)致晶體管從增強(qiáng)模式變?yōu)楹谋M模式。GaN 沒有這種失效機(jī)制，因此實(shí)際上不受伽馬輻射引起的退化的影響。

中子和質(zhì)子輻射對(duì)于 Si MOSFET 也是一個(gè)問題，但對(duì)于 GaN 來說則要少得多。原因是中子和質(zhì)子的失效機(jī)制對(duì)半導(dǎo)體晶體造成損壞。這稱為位移損傷，很大程度上取決于晶體中化學(xué)鍵的緊密程度。Si原子之間的鍵比GaN晶體中鎵和氮原子之間的鍵弱得多。因此，與 Si 相比，GaN 器件可以承受更多數(shù)量級(jí)的中子和質(zhì)子輻射。

第三種類型的輻射稱為重離子。這會(huì)導(dǎo)致單事件效應(yīng) (SEE)。在 Si MOSFET 中，存在由金或氙等重的高能離子引起的三種主要故障機(jī)制：?jiǎn)瘟Ｗ訓(xùn)艠O破裂 (SEGR)、單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU) 和單粒子燒毀 (SEB)。因?yàn)?GaN 在柵極中沒有精細(xì)的氧化物，所以不會(huì)發(fā)生 SEGR。由于不容易產(chǎn)生可移動(dòng)的正電荷或空穴，高能粒子無法產(chǎn)生電子空穴云，從而導(dǎo)致 Si MOSFET 中的瞬時(shí)短路條件導(dǎo)致 SEU。SEB 再次由晶體損壞引起，因此 GaN 也是該類別的贏家。

空間的 DC/DC 和熱管理

PEN：地球上的經(jīng)典 DC/DC 轉(zhuǎn)換器與太空中的經(jīng)典 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)和建模（使用 GaN）方面有何不同？

麗都：在為空間開發(fā) DC/DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要了解源自高輻射環(huán)境的獨(dú)特要求。例如，伽馬輻射會(huì)導(dǎo)致 Si MOSFET 的閾值電壓隨時(shí)間降低，甚至在某些時(shí)候變?yōu)樨?fù)值。使用雙極脈沖驅(qū)動(dòng)設(shè)備會(huì)有所幫助。這對(duì)于 GaN 來說是不需要的。但也許最顯著的區(qū)別是 GaN 器件沒有導(dǎo)致瞬時(shí)短路的單事件翻轉(zhuǎn)。因此，使用 Si MOSFET 的設(shè)計(jì)避免了半橋電路，在這種電路中，瞬時(shí)短路會(huì)導(dǎo)致可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障的直通條件。因此，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最流行，盡管其效率或體積不如基于高頻半橋的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)那么小。IN至 28V OUT隔離轉(zhuǎn)換器。目前最好的硅 MOSFET 解決方案的效率僅為 91%。

圖 1：適用于空間應(yīng)用的 100VIN 至 28VOUT 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 VPT SGRB10028S 的效率為 96%。

PEN：電子元件和電路的熱管理對(duì)于確保系統(tǒng)在所有操作環(huán)境下的正確運(yùn)行和可靠性至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員必須掌握 GaN 等寬帶隙半導(dǎo)體的挑戰(zhàn)，才能充分實(shí)現(xiàn)其承諾。通過在更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度下運(yùn)行，可以減少無源元件（電感器和電容器）并構(gòu)建更輕、更小的系統(tǒng)。與空間有關(guān)的注意事項(xiàng)是什么？

Lidow：衛(wèi)星成本的最大驅(qū)動(dòng)因素是重量。在電力系統(tǒng)中，重量與效率成正比。系統(tǒng)效率越高，系統(tǒng)越小，所需的熱管理就越少。GaN 晶體管的效率遠(yuǎn)高于 Si MOSFET。它們還支持更高頻率的設(shè)計(jì)，從而減小無源元件的尺寸，從而減輕系統(tǒng)的重量。GaN 器件的熱效率也更高，因此它們不僅產(chǎn)生的熱量更少，而且還需要更小的熱管理系統(tǒng)來進(jìn)行冷卻。

效率、挑戰(zhàn)和配置

PEN：與硅相比，GaN 的效率有哪些？

Lidow：將抗輻射 (rad-hard) GaN 晶體管與抗輻射 Si MOSFET 進(jìn)行比較，可以看出這兩種技術(shù)之間的巨大性能差距。讓我們選擇一個(gè)具體的例子，F(xiàn)BG20N18 GaN FET 與 IRHNA67260。兩者都是具有大約相同 R DS(on) 的200-V 晶體管，但是，GaN 器件：

是尺寸和重量的 1/10

具有開關(guān)所需電容的 1/40

具有零反向恢復(fù)

更耐輻射

價(jià)格是硅 MOSFET 的一半

PEN：你能舉出一些實(shí)施解決方案的例子嗎？

Lidow：當(dāng)今空間軌道系統(tǒng)的兩個(gè)例子是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，例如上面討論的那個(gè)，以及反作用輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（見圖 2）。反作用輪使衛(wèi)星保持穩(wěn)定的方向，如今有數(shù)千顆這樣的衛(wèi)星使用 EPC Space 的 FBS-GAM02 混合模塊在軌道上運(yùn)行。這些模塊包括一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換電子設(shè)備的半橋電路，可以節(jié)省空間并且抗輻射。太空中也有許多 LiDAR 系統(tǒng)使用 GaN 器件，其原因與自動(dòng)駕駛汽車使用 GaN 的原因相同：它可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)激光器的高電流和極窄脈沖。這些高電流和窄脈沖意味著 LiDAR 系統(tǒng)可以看得更遠(yuǎn)，分辨率更高。GaN 器件的抗輻射性降低了任何屏蔽要求。

PEN：太空供電有哪些問題？消費(fèi)者有什么問題要問你，GaN 如何改進(jìn)以提供最好的產(chǎn)品？

Lidow：今天，抗輻射 GaN 晶體管可用于替代大多數(shù)抗輻射 Si MOSFET?？蛻魧?duì)性能、可靠性，尤其是低成本感到非常滿意——大約是抗輻射硅 MOSFET 成本的一半。我們收到了很多要求將我們的抗輻射產(chǎn)品線擴(kuò)展到集成電路，以便可以將相同程度的抗輻射擴(kuò)展到系統(tǒng)的其余部分。我們已經(jīng)通過 EPC Space GAM 系列提供了 GaN 驅(qū)動(dòng)模塊，并將在今年第四季度推出一系列用于 GaN 晶體管的 GaN IC 驅(qū)動(dòng)器。將來，我們還將提供像商用 EPC2152 那樣的抗輻射單片功率級(jí)。除了功率級(jí)之外，我們還計(jì)劃將我們的產(chǎn)品發(fā)展成完整的片上系統(tǒng)，這將是抗輻射的。

PEN：GaN 功率晶體管是空間功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想選擇。當(dāng)暴露于各種形式的輻射時(shí)，它們比抗輻射 MOSFET 更堅(jiān)固。GaN的電學(xué)和熱學(xué)性能在太空環(huán)境中也表現(xiàn)出卓越的運(yùn)行性能。實(shí)現(xiàn)空間的廣泛采用面臨哪些挑戰(zhàn)？您認(rèn)為未來擴(kuò)張的重要機(jī)會(huì)在哪里？

麗都：與抗輻射 GaN 器件相比，抗輻射硅 MOSFET 的性能更低、更大、更弱且更昂貴。他們的交貨時(shí)間也非常長(zhǎng)。今天，我們充斥著大量的業(yè)務(wù)，并沒有看到任何剩余的采用障礙。最具挑戰(zhàn)性的是將第一批零件送入太空。衛(wèi)星設(shè)計(jì)師天生保守，因此不愿嘗試新事物。GaN 的優(yōu)勢(shì)如此引人注目，以至于我們能夠說服衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員從大約五年前開始推出產(chǎn)品。今天，從低地球軌道 (LEO) 到地球同步赤道軌道 (GEO) 的軌道上有超過 50,000 個(gè)組件，GEO 在可靠性和輻射耐受性方面的要求最高。建立傳統(tǒng)后，設(shè)計(jì)人員很快就開始使用我們的 GaN 產(chǎn)品。最大的機(jī)會(huì)將來自 GaN 功率 IC。我們可以在幾個(gè) GaN 芯片上集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源——所有這些芯片都非?？馆椛?。從今年第四季度開始尋找這些 IC。

可以使用 GaN 的關(guān)鍵領(lǐng)域是射頻和功率轉(zhuǎn)換。由于其小巧的外形和出色的效率，電源設(shè)計(jì)人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅晶體管。與具有更高熱管理需求的硅器件相比，GaN 晶體管浪費(fèi)更少的功率并具有更高的熱導(dǎo)率。新的功率器件本質(zhì)上也是抗輻射的，可以在高達(dá) 600?C 的溫度下運(yùn)行。由于太空任務(wù)所需的電壓低于典型的交流線路電壓，因此最好使用 200-V 和偶爾 300-V 的設(shè)備。在該范圍內(nèi)，GaN 的性能僅優(yōu)于碳化硅，使其成為首選。氮化鎵作為橫向器件，將來也將更容易加入。

審核編輯 黃昊宇