寬帶隙半導(dǎo)體終結(jié)了硅的主導(dǎo)地位

寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，例如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，已經(jīng)終結(jié)了硅在電力電子領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。自硅問世以來，WBG 半導(dǎo)體被證明是電力電子行業(yè)最有前途的材料。與傳統(tǒng)的硅基技術(shù)相比，這些材料具有多項(xiàng)優(yōu)勢，例如能夠管理高功率水平、對(duì)輻射不敏感、高溫操作、高開關(guān)頻率、低噪聲、低功率損耗和高效率。

WBG 半導(dǎo)體對(duì)于下一代星載系統(tǒng)的開發(fā)具有戰(zhàn)略意義。氮化鎵的增強(qiáng)模式版本 (eGaN) 廣泛用于開發(fā)用于空間應(yīng)用的 FET 和 HEMT。

輻射對(duì)功率器件

的影響 太空環(huán)境具有特定的條件，這些條件會(huì)影響并且在某些情況下會(huì)降低天基材料的機(jī)械特性，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的整體行為產(chǎn)生負(fù)面影響?？臻g輻射主要由 85% 的質(zhì)子和 15% 的重核組成。輻射的影響會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降、中斷和不連續(xù)。

空間合格組件的主要要求是確保長期可靠運(yùn)行的能力?？馆椛浠蚩馆椛湓O(shè)計(jì)決定了電子元件承受輻射影響的要求。它可能是最昂貴和最耗時(shí)的方法之一，但有時(shí)它是電子元件的唯一解決方案，以保護(hù)人類生命或保障重要的太空軌道任務(wù)。

星載應(yīng)用中使用的電子元件主要受到空間輻射，稱為單粒子效應(yīng)或 SEE，由地球磁場中捕獲的電子和質(zhì)子引起?？臻g輻射的另一個(gè)重要影響是總電離劑量 (TID)。這兩個(gè)概念之間的區(qū)別非常簡單：SEE 是單個(gè)高能粒子撞擊設(shè)備產(chǎn)生的結(jié)果，而 TID 衡量的是長時(shí)間暴露于電離輻射所產(chǎn)生的影響。

TID 暴露量以輻射吸收劑量 (rads) 為單位測量，量化了材料對(duì)輻射的總暴露量。給定一個(gè)特定的設(shè)備，總劑量輻射閾值是導(dǎo)致設(shè)備故障的最小輻射水平。大多數(shù)抗輻射商業(yè)設(shè)備在發(fā)生功能故障之前可以承受高達(dá) 5 krads 的溫度。SEE 指標(biāo)在衛(wèi)星和航天器等應(yīng)用中變得尤為重要。這些系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境中存在的高密度質(zhì)子和離子會(huì)在電子電路中引起一系列不同的 SEE，包括單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU)、單粒子瞬態(tài) (SET)、單粒子功能中斷 ( SEFI)、單事件柵極破裂 (SEGR) 和單事件燒毀 (SEB)。

SEE 事件可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至完全破壞。為了確保高度的可靠性，有必要選擇已經(jīng)測量并聲明了輻射產(chǎn)生的影響的組件。

WBG 在星載系統(tǒng)中的優(yōu)勢

減輕重量和尺寸，以及高效率和可靠性，是用于航天器的組件的基本要求。GaN 功率器件在當(dāng)今可用的最小占位面積內(nèi)提供最高水平的效率。氮化鎵在電磁兼容性 (EMC) 方面也具有出色的特性：減小的寄生電容減少了開關(guān)周期期間存儲(chǔ)和釋放的能量，而減小的占位面積提高了環(huán)路電感，特別是在用作收發(fā)器天線時(shí)具有隱蔽性。

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。商用 GaN 功率器件的性能明顯高于基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)抗輻射器件。這允許為衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸、無人機(jī)、機(jī)器人和航天器中的應(yīng)用實(shí)施創(chuàng)新架構(gòu)。

增強(qiáng)型 GaN HEMT

抗輻射 MOSFET 已達(dá)到其技術(shù)極限，芯片尺寸大，性能品質(zhì)因數(shù) (FoM) 由公式 FoM = RDS(ON) × Ciss 表示，遠(yuǎn)高于 eGaN 晶體管。FoM是一個(gè)非常重要的參數(shù)：值越小，系統(tǒng)的效率就越好。

此外，eGaN HEMT 更容易驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗鼈冃枰臇艠O電荷比最好的抗輻射 MOSFET 少 10 到 40 倍。GaN 器件也可以直接安裝在陶瓷基板上，無需任何外部封裝?？梢韵妇€和相關(guān)電感，從而實(shí)現(xiàn)非常高的開關(guān)速率。eGaN 開關(guān)速度僅由柵極和漏極節(jié)點(diǎn)的電阻和電容決定。

開關(guān)時(shí)間很容易達(dá)到亞納秒級(jí)，因此在使用這些高性能器件時(shí)，應(yīng)特別注意開發(fā)的設(shè)計(jì)和 PCB 布局階段。

抗輻射 GaN 解決方案

領(lǐng)先的先進(jìn)半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子已開發(fā)出業(yè)界首個(gè)抗輻射 100-V 和 200-V GaN FET 電源解決方案，適用于在星載中啟用初級(jí)和次級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器電源系統(tǒng)。這些 GaN FET 已針對(duì)破壞性單事件效應(yīng)進(jìn)行了表征，并針對(duì) TID 輻射進(jìn)行了測試。ISL7023SEH 100-V、60-A GaN FET 和 ISL70024SEH 200-V、7.5-A GaN FET 提供比硅 MOSFET 高出多達(dá) 10 個(gè)數(shù)量級(jí)的性能，同時(shí)將封裝尺寸減小了 50%。

它們還減輕了電源重量，并以更少的開關(guān)功率損耗實(shí)現(xiàn)了更高的電源效率。在 5mΩ RDS(ON) 和 14nC (QG) 條件下，ISL70023SEH 實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最佳的品質(zhì)因數(shù)。

VPT Inc. 提供 SGRB 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，專為太空應(yīng)用中的惡劣輻射環(huán)境而設(shè)計(jì)?；谙冗M(jìn)的 GaN 技術(shù)，SGRB 系列可提供高效率，從而減小系統(tǒng)尺寸、重量和成本。

該系列的 GaN 技術(shù)效率高達(dá) 95%，與傳統(tǒng)的抗輻射硅產(chǎn)品相比，效率更高。它專為要求高效率、低噪聲和輻射耐受性的星載電信而設(shè)計(jì)。

Freebird Semiconductor 提供多種集成到 GaN 適配器模塊 (GAM) 中的高可靠性 GaN HEMT 分立器件，在其多功能電源模塊系列中創(chuàng)建了專利電路。這些通用 GaN 適配器模塊將 eGaN 開關(guān)電源 HEMT 與基于 GaN 的高速柵極驅(qū)動(dòng)電路相結(jié)合，用于商業(yè)衛(wèi)星。

抗輻射 FBS-GAM01-P-C50 單低側(cè)電源開發(fā)驅(qū)動(dòng)器模塊將 GaN 開關(guān)電源 HEMT 集成在九引腳 SMT 包覆成型環(huán)氧樹脂封裝中。集成器件包括 Freebird 的 FDA10N30X 輸出功率 eGaN HEMT 開關(guān)和輸出鉗位肖特基二極管，由完全由 eGaN 開關(guān)元件組成的高速柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行最佳驅(qū)動(dòng)。它還包括 5V 輸入 VBIAS 過壓鉗位保護(hù)以及 VBIAS 欠壓驅(qū)動(dòng)器禁用和報(bào)告。SMT 包覆成型環(huán)氧樹脂封裝為 FBS-GAM01-P-R50 飛行單元版本提供了工程開發(fā)平臺(tái)。

審核編輯：湯梓紅