寬帶隙半導(dǎo)體為通向太空鋪平道路

自硅問世以來，寬帶隙半導(dǎo)體，如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，已被證明是電力電子領(lǐng)域最有前途的材料。與傳統(tǒng)的硅基技術(shù)相比，這些材料具有多個優(yōu)勢，例如能夠管理高功率水平、對輻射不敏感、能夠在高溫和開關(guān)頻率下工作、低噪聲、低功率損耗和高效率。因此，WBG 半導(dǎo)體對于下一代太空出生系統(tǒng)的開發(fā)具有戰(zhàn)略意義。氮化鎵的增強(qiáng)型版本 (eGaN) 被廣泛用于空間應(yīng)用的 FET 和 HEMT 的開發(fā)。

輻射對功率器件的影響

空間環(huán)境具有特定條件，會影響并在某些情況下降低空間材料的機(jī)械特性，從而對結(jié)構(gòu)的整體運(yùn)行行為產(chǎn)生負(fù)面影響。

空間輻射流主要由 85% 的質(zhì)子和 15% 的重核組成。輻射的影響會導(dǎo)致設(shè)備性能下降、中斷和不連續(xù)?？臻g合格組件的主要要求是能夠確?？煽康拈L期運(yùn)行。

抗輻射設(shè)計從頭開始確定電子元件的設(shè)計要求，以承受輻射的影響。它可能是最昂貴和最耗時的方法之一，但有時它是電子元件的唯一解決方案，對于保護(hù)人類生命或保護(hù)重要的太空軌道任務(wù)至關(guān)重要。

在太空應(yīng)用中使用的電子元件主要受到由地球磁場中捕獲的電子和質(zhì)子引起的空間輻射（其效應(yīng)稱為 SEE，Single Event Effect 的首字母縮寫詞）?？臻g輻射的另一個重要影響是總電離劑量 (TID)。這兩個概念之間的區(qū)別非常簡單：SEE 是單個高能粒子撞擊設(shè)備產(chǎn)生的結(jié)果，而 TID 測量的是長時間暴露于電離輻射所產(chǎn)生的影響。TID 暴露量以 rads（輻射吸收劑量）為單位，它量化了材料對輻射的總暴露量。

給定特定設(shè)備，總劑量輻射閾值是會導(dǎo)致設(shè)備故障的最小輻射水平。大多數(shù)抗輻射商用設(shè)備在發(fā)生功能故障之前最多可承受 5 krad。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)子和離子會導(dǎo)致電子電路中的一系列不同的 SEE，包括單事件翻轉(zhuǎn) (SEU)、單事件瞬態(tài) (SET)、單事件功能中斷 (SEFI)、單事件門破裂 (SEGR) 和單事件燒毀 (SEB)。SEE 事件會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至完全破壞。因此，為了確保高度的可靠性，

WBG advantages in space-born systems

減輕重量和尺寸以及高效率和可靠性是用于航天器的每個組件的基本要求。GaN 功率器件以當(dāng)今可用的最小占地面積提供最高水平的效率。砷化鎵在電磁兼容性 (EMI) 方面也具有出色的特性：降低的寄生電容減少了開關(guān)周期期間存儲和釋放的能量，同時減小的占用空間提高了環(huán)路電感，特別是作為收發(fā)器天線的隱蔽性。用于太空任務(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) Rad Hard 器件。這允許在衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸、無人機(jī)、機(jī)器人和航天器上實施創(chuàng)新架構(gòu)。

增強(qiáng)型氮化鎵 HEMT

Rad Hard MOSFET 已達(dá)到不那么新的技術(shù)的極限，具有大芯片尺寸和性能品質(zhì)因數(shù) (FoM)，由公式 FoM = RDS(ON)* Ciss 表示，遠(yuǎn)高于增強(qiáng)型 GaN 晶體管。品質(zhì)因數(shù)是一個非常重要的參數(shù)，它的值越小，系統(tǒng)的效率就越好。增強(qiáng)型 GaN HEMT 也更容易驅(qū)動，因為它們需要的柵極電荷比最好的 Rad Hard MOSFET 少 10 到 40 倍。物理尺寸也有利于 GaN 器件，它可以直接安裝在陶瓷基板上，無需任何外部封裝。因此可以消除引線鍵合和相關(guān)電感，達(dá)到非常高的開關(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)時間可以輕松達(dá)到亞納秒級，

輻射硬化 GaN 解決方案

瑞薩電子是先進(jìn)半導(dǎo)體解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，已開發(fā)出業(yè)界首個抗輻射 100V 和 200V GaN FET 電源解決方案，適用于太空系統(tǒng)中的初級和次級 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電源。這些 GaN FET 已針對破壞性單事件效應(yīng) (SEE) 進(jìn)行了表征，并針對總電離劑量 (TID) 輻射進(jìn)行了測試。的ISL7023SEH100V，60A的GaN FET和ISL70024SEH 200V，7.5A的GaN FET提供高達(dá)大小更好的性能10項目比硅MOSFET而減少50％的封裝尺寸。它們還可以減輕電源重量并以更少的開關(guān)功率損耗實現(xiàn)更高的電源效率。5mΩ RDS(ON)和 14nC (QG)，ISL70023SEH 可實現(xiàn)業(yè)界最佳品質(zhì)因數(shù) (FOM)。圖 1 顯示了非常低的 RDS(ON)。

圖 1：ISL7023SEH GaN 功率晶體管的RDS(ON)

VPT, Inc. 提供 SGRB 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，專為太空應(yīng)用的惡劣輻射環(huán)境而設(shè)計。SGRB 系列基于先進(jìn)的 GaN 技術(shù)，可提供高效率，從而減少系統(tǒng)尺寸、重量和成本。

GaN 技術(shù)的效率高達(dá) 95%，與傳統(tǒng)的抗輻射硅產(chǎn)品相比，效率更高。它專為需要高效率、低噪聲和輻射耐受性的星載電信而設(shè)計（圖 2）。

Freebird Semiconductor 提供多種集成在 GaN 適配器模塊 (GAM) 中的高可靠性 GaN HEMT 分立器件，創(chuàng)造了多功能電源模塊系列中的專利電路。這些通用 GaN 適配器模塊（圖 3）將 eGaN? 開關(guān)電源 HEMT 與基于 GaN 的高速柵極驅(qū)動電路相結(jié)合，用于商業(yè)衛(wèi)星空間環(huán)境中的最終用途設(shè)計。

圖2：SGRB系列DC-DC轉(zhuǎn)換器

圖 3：Freebird 的 GaN 適配器模塊

抗輻射 FBS-GAM01-P-C50 單低側(cè)電源開發(fā)驅(qū)動器模塊包含 GaN? 開關(guān)電源 HEMT。這些器件與 Freebird Semiconductors FDA10N30X 輸出功率 eGaN? HEMT 開關(guān)、輸出鉗位肖特基二極管集成，并由完全由 eGaN? 開關(guān)元件組成的高速柵極驅(qū)動電路進(jìn)行優(yōu)化驅(qū)動。進(jìn)一步的 +5V 輸入 VBIAS 過壓鉗位保護(hù)以及 VBIAS 欠壓驅(qū)動器禁用和報告包含在創(chuàng)新、節(jié)省空間的 9 引腳 SMT 包覆成型環(huán)氧樹脂封裝中，為 FBS 提供了一個出色的工程黃銅板開發(fā)平臺-GAM01-P-R50 飛行單元版本。

結(jié)論

電子話題在當(dāng)今的航空航天環(huán)境中變得越來越普遍。工程師們正在開發(fā)數(shù)量不斷增加的開發(fā)系統(tǒng)，例如航天器和衛(wèi)星?？煽俊⒊掷m(xù)的電源對于太空任務(wù)的成功至關(guān)重要。

在實際應(yīng)用中，改用 SiC 或 GaN 制成的寬帶半導(dǎo)體的主要優(yōu)勢是功率轉(zhuǎn)換效率的提高。

寬帶半導(dǎo)體在高溫下工作的能力也具有重要意義。它們不僅可以用于更高熱量的情況，而且寬帶半導(dǎo)體需要較少的整體冷卻，從而減少了電源轉(zhuǎn)換器中冷卻組件的空間和費(fèi)用。

審核編輯 黃昊宇