作者：Maurizio Di Paolo Emilio，《電力電子新聞》主編

軍事和航空航天平臺(tái)對(duì)更高功率密度和改進(jìn)冷卻的日益增長的需求正在將基于硅的電力電子系統(tǒng)推向其運(yùn)行極限。寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料——碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)——提供了新一代寬帶功率器件，在這些應(yīng)用中與硅基對(duì)應(yīng)物相比具有巨大優(yōu)勢。

WBG 電源模塊提供的特性和功能比硅同類產(chǎn)品高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，包括 10 倍的電壓阻斷能力、10 倍至 100 倍的開關(guān)速度能力以及十分之一的能量損失。它們還具有固有的抗輻射（rad-hard）特性，并提供高達(dá) 600°C 的理論結(jié)溫運(yùn)行。除了降低冷卻要求外，該技術(shù)還可以為電力系統(tǒng)提供比當(dāng)前基于硅的設(shè)備高出 10 倍的功率密度。

碳化硅承諾為航空航天業(yè)提供更輕的組件，以降低燃料消耗和排放。這種材料有助于在更小、更輕的設(shè)備中針對(duì)給定的電壓和電流額定值實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)和更高的功率密度。

GaN 與硅一樣，可用于制造二極管和晶體管等半導(dǎo)體器件。電源設(shè)計(jì)人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅，因?yàn)樗哂行〕叽绾透咝省Ｅc具有更高熱管理要求的硅器件相比，GaN 晶體管還消耗更少的功率并提供更高的熱導(dǎo)率。

在這種情況下，65V GaN 技術(shù)正在觸發(fā)新一代雷達(dá)系統(tǒng)，這些雷達(dá)系統(tǒng)也為一系列商業(yè)應(yīng)用開辟了機(jī)會(huì)。

作為橫向擴(kuò)散 MOSFET (LDMOS) 組件的替代品或替代品，GaN 組件在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的使用正在迅速增長。LDMOS晶體管具有更高的C GS /C DS電容，這將限制帶寬，與具有低得多的寄生電容的GaN晶體管相比，這使得在相同功率水平下更容易進(jìn)行寬帶匹配。

用于航空航天的 SiC與過去幾十年相比，航空工業(yè)最近經(jīng)歷了快速增長。新的航空航天世界在用于電源和電機(jī)控制應(yīng)用的 SiC 器件中找到了新的電源管理解決方案。碳化硅有望在航空工業(yè)中使用重量輕的組件來減少燃料消耗和排放，而碳化硅 MOSFET 在更高工作溫度下的穩(wěn)定運(yùn)行也引起了研究人員對(duì)高功率密度功率轉(zhuǎn)換器的興趣。

然而，使用 SiC 器件的電力電子和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題之一是柵極驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)電路的管理。管理門控時(shí)序是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新的 1,200-V SiC MOSFET 在高溝道遷移率、氧化物壽命和閾值電壓穩(wěn)定性方面達(dá)到了出色的質(zhì)量水平，以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

Solid State Devices 推出 SFC35N120 1,200-V SiC 功率 MOSFET，用于高可靠性航空航天和國防電力電子應(yīng)用，如高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器。

這些 N 溝道 MOSFET 在 20 A 和 25°C 下提供 26 A 至 30 A 的最大連續(xù)漏極電流和最大 96 μΩ 的低 R DS(ON)。該器件在 150°C 時(shí)的最大點(diǎn)火電阻為 190 mΩ，還具有高溫性能，允許使用更小的器件，便于并行配置，并減少風(fēng)扇和散熱器等熱管理硬件。

另一種解決方案是 1,200-V CAS325M12HM2 SiC 電源模塊，配置為 SiC 半橋拓?fù)?，來?Cree 公司 Wolfspeed。它代表了采用高性能 62 毫米封裝的新一代全 SiC 功率模塊。該模塊使用 1,200-V C2M SiC MOSFET 和 1,200-V 肖特基二極管（圖 2）。

圖 2：CAS325M12HM2 SiC 電源模塊（圖片：Wolfspeed）

GaN at 65 V雷達(dá)系統(tǒng)主要用于軍事和國防目的，也廣泛用于汽車領(lǐng)域。最常見的軍用雷達(dá)市場是超高頻 (UHF) 雷達(dá)、有源電子掃描陣列 (AESA) 雷達(dá)、敵我識(shí)別 (IFF) 和距離測量設(shè)備 (DME)。這些市場需要成百上千瓦的功率放大。

功率放大等技術(shù)進(jìn)步正在推動(dòng)輕量級(jí)解決方案的發(fā)展。這些應(yīng)用中使用的主要技術(shù)是 HEMT GaN，因?yàn)樗哂凶吭降男阅堋?/p>

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 在許多應(yīng)用中迅速獲得了青睞。SiC 襯底上的 GaN HEMT 晶體管可提供出色的散熱性能以實(shí)現(xiàn)長期可靠性。GaN-on-SiC 非常適合高功率脈沖應(yīng)用，其功率密度可實(shí)現(xiàn)出色的冷卻管理。出于各種原因，當(dāng)今的雷達(dá)越來越多地使用 GaN-on-SiC 射頻晶體管技術(shù)。這些包括增加的功率、高效率、更高的穩(wěn)健性、更低的功耗、更小的尺寸、頻率可用性、更高的通道溫度和更長的壽命。

在空間應(yīng)用中，GaN-on-SiC 的可行性最近有所提高，特別是在 GaN 效率與更高頻率工作相輔相成的應(yīng)用中。GaN 毫米波 (mmWave) 的功率密度帶來了一套新的設(shè)計(jì)技術(shù)，可用于實(shí)現(xiàn)更高水平的熱補(bǔ)償。

Qorvo Inc. 提供各種額定功率的晶體管，以更小、更可靠的外形尺寸實(shí)現(xiàn)高功率千瓦級(jí)放大。例如，65V GaN-on-SiC 實(shí)現(xiàn)了小尺寸、更低的運(yùn)營成本和更低的射頻前端復(fù)雜性。

Qorvo QPD1013 是一款 150W (P3dB) 分立式 GaN-on-SiC HEMT，工作頻率范圍為直流至 2.7 GHz。這是一款采用包覆成型塑料封裝的單級(jí)、無與倫比的功率放大器晶體管。QPD1013 的高功率和寬帶寬使其適用于許多不同的應(yīng)用（圖 3）。

圖 3：Qorvo QPD1013 的框圖（圖片：Qorvo）

與更傳統(tǒng)的解決方案相比，GaN 技術(shù)可以極大地改進(jìn)最新一代的 AESA 雷達(dá)，旨在顯著提高檢測系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、性能和配置靈活性。例如，在后者中，無源電子掃描陣列 (PESA) 雷達(dá)，甚至是帶有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線的不太復(fù)雜的系統(tǒng)，都會(huì)受到磨損，并且隨著工作周期的增加，故障風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。

WBG 半導(dǎo)體在下一代星載系統(tǒng)的開發(fā)中具有重要的戰(zhàn)略意義。GaN 的增強(qiáng)模式版本 (eGaN) 廣泛用于開發(fā)用于空間應(yīng)用的 FET 和 HEMT。

eGaN FET 可提供輻射耐受性、快速開關(guān)速度和更高的效率，從而實(shí)現(xiàn)更小、更輕的電源（更小的磁體和更小的散熱器尺寸，甚至在許多情況下無需散熱器）。電源設(shè)計(jì)人員可以選擇是增加頻率以允許使用更小的磁體，還是提高效率，甚至為兩者設(shè)計(jì)一個(gè)令人滿意的平衡點(diǎn)。

eGaN FET 比等效的 MOSFET 小。它們提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)，這也可以減小電容器尺寸。

用于空間任務(wù)、高空飛行或戰(zhàn)略軍事應(yīng)用等關(guān)鍵應(yīng)用的電源設(shè)備必須能夠抵抗由電離輻射引起的故障和故障。與基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)抗輻射器件相比，商用 GaN 功率器件的性能顯著提高。

審核編輯 黃昊宇