基于GaN的耐輻射DC/DC轉(zhuǎn)換器提高關(guān)鍵應(yīng)用的效率

在過去幾年中，太空市場通過采用太空系統(tǒng)中前所未有的新技術(shù)，一直在朝著更高效的電源解決方案邁進(jìn)。太空硬件會受到包括電離輻射在內(nèi)的惡劣環(huán)境條件的影響，因此需要使用抗輻射組件。幾年前，抗輻射功率 MOSFET 已經(jīng)面世，但它們犧牲了電氣性能以實現(xiàn)出色的抗輻射能力。這導(dǎo)致航天級電源的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于商用電源。在最新的技術(shù)中出現(xiàn)了氮化鎵（GaN），一種寬帶隙半導(dǎo)體，具有比硅更高的功率轉(zhuǎn)換效率和固有的抗輻射能力。除了能夠顯著提高不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各種功率級別的商用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率外，基于 GaN 的 FET 還被證明對伽馬輻射和單事件效應(yīng) （SEE） 具有顯著的耐受性。所有這些特性使GaN FET非常適合用于衛(wèi)星和運載火箭的電源中。

CAES 單級隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

CAES（前身為 Cobham Advanced Electronic Solutions）推出了業(yè)界首個基于 GaN 的單級隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，用于高吞吐量衛(wèi)星有效載荷。新的 SCD51028XXX 產(chǎn)品系列提供業(yè)界最高效的電源轉(zhuǎn)換模塊，以實現(xiàn)可重新編程和軟件定義的有效載荷。

借助這款新型 GaN 單級隔離轉(zhuǎn)換器，CAES 已將總線電源直接轉(zhuǎn)換到負(fù)載點 （POL），而不是使用多級來獲得負(fù)載點所需的較低電壓。與通常實現(xiàn)約 80% 整體效率的兩級轉(zhuǎn)換器不同，CAES 的單級轉(zhuǎn)換器可以利用 GaN 技術(shù)在滿載和 50% 負(fù)載下提供更高的效率。

“我們創(chuàng)造了一種新的單級轉(zhuǎn)換器，當(dāng)我們從 28V 等總線電壓到可低至 0.8V 的負(fù)載電壓點時，它使我們的效率超過 90%，”Dave Young 說， CAES 首席技術(shù)官。

更高的效率對于新的衛(wèi)星產(chǎn)品尤其重要，這會對衛(wèi)星的熱設(shè)計、電池電量、太陽能電池陣列以及實現(xiàn)低功耗解決方案所需的所有設(shè)備產(chǎn)生相關(guān)影響。

“我們很高興該產(chǎn)品將支持更小的系統(tǒng)。我們的產(chǎn)品只有 3 英寸寬、2 英寸長，因此它甚至可以安裝在最小的 LEO 衛(wèi)星中，而且我們將能夠獲得比過去更高的功率轉(zhuǎn)換效率，”Dave Young 說。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功能框圖如圖 2 所示，是一款隔離式降壓穩(wěn)壓器，專為耐輻射而設(shè)計。它代表了 LEO 星座和更大的衛(wèi)星的經(jīng)濟(jì)實惠的解決方案，執(zhí)行不同負(fù)載點所需的低功率轉(zhuǎn)換。

圖 2：CAES 51028XXX 系列功能框圖

氮化鎵提供比硅更優(yōu)越的特性，不僅因為它的高開關(guān)頻率和低 RDS（ON），還因為它天生具有抗輻射能力，這意味著它可以承受外太空等輻射環(huán)境。

“盡管航天工業(yè)非常保守，但 GaN 的輻射硬度允許我們在太空中使用它。我們可以讓我們的轉(zhuǎn)換器以更高的頻率進(jìn)行開關(guān)，使磁性、RDS （ON）和占位面積更小，并使芯片更高效”，CAES 電源系統(tǒng)首席架構(gòu)師 Dan Gonzalez 說。

由于 GaN 對航天工業(yè)來說是一種相對較新的材料，因此組件級的篩選非常嚴(yán)格。CAES 的工程師必須證明該設(shè)備能夠滿足空間要求，增加了額外的壽命測試和老化鑒定測試。這些測試大多基于 MIL-PRF-38534 標(biāo)準(zhǔn)（K 類和 H 類），適用于電源模塊或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等多芯片模塊和系統(tǒng)。

今天，許多衛(wèi)星和空間系統(tǒng)都基于 28V 總線電壓。然而，CAES 也在向更高的電壓（例如 100V）推進(jìn)和發(fā)展，以滿足來自航天工業(yè)的這一日益增長的要求。

“目前，已經(jīng)開發(fā)了許多使用 28V 總線電壓的負(fù)載點和系統(tǒng)。因此，28V 是我們基于 GaN 的轉(zhuǎn)換器針對的第一個輸入電壓”，Dan Gonzalez 說。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器既可用于單獨運行，也可在具有共享控制級別的并聯(lián)運行中使用。由于這些模塊是相對大電流的模塊（它們在較低的電壓下可以提供高達(dá) 50A 的電流），因此工程師在模塊并聯(lián)時應(yīng)非常注意布局。并聯(lián)模塊和負(fù)載之間非常小的阻抗差異實際上可能代表相當(dāng)多的下降。

如圖 2 所示，轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了遠(yuǎn)程檢測功能，這意味著它能夠在低于標(biāo)準(zhǔn)輸出的電壓下調(diào)節(jié)輸出。其他功能包括可配置的軟啟動，它允許您通過添加外部電容器來設(shè)置比默認(rèn)值 （2ms） 更長的上升時間，以及用于處理外部同步信號的專用輸入引腳。當(dāng)兩個轉(zhuǎn)換器使用同步引腳同步時，它們將同相或 180° 異相工作。內(nèi)置保護(hù)功能確保設(shè)備的安全，包括輸入過壓和欠壓關(guān)斷、過流和短路保護(hù)。

新轉(zhuǎn)換器不會造成任何熱管理問題，因為轉(zhuǎn)換器中散發(fā)的所有熱量都可以通過器件的引線帶走。作為高電流模塊，PCB 走線具有高含量的銅以減少 IR-Drop，但這也允許熱量傳播。

“我們的熱分析和測量表明，從轉(zhuǎn)換器的最熱點到最冷點（即設(shè)備的引線），只有 2-3°C 的差異”，Dan Gonzalez 說。

雖然 CAES GaN 基 DC/DC 轉(zhuǎn)換器適用于 LEO 和 GEO 軌道，但它們的設(shè)計目的是盡可能降低成本，使它們對 LEO 星座更具吸引力，因為有計劃放置大量廉價衛(wèi)星在上面。

“客戶總是希望設(shè)備尺寸更小、效率更高且成本合理。我們認(rèn)為該設(shè)備在所有三個方面都達(dá)到了這一標(biāo)準(zhǔn)。我們將繼續(xù)在其他電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中推廣和推進(jìn) GaN FET，不僅是隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，還有降壓轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動器、電源控制器和總線控制器。我們的路線圖包括所有這些項目，以及不同的電壓水平”，Dan Gonzalez 說。

審核編輯：郭婷