GaN基耐輻射DC/DC變換器在衛(wèi)星應(yīng)用中提高效率

在過去幾年中，航天市場通過采用以前在空間系統(tǒng)中看不到的新技術(shù)，朝著更高效的電源解決方案發(fā)展?？臻g硬件受到惡劣環(huán)境條件的影響，包括電離輻射，因此必須使用抗輻射部件。自幾年前以來，耐輻射功率MOSFET已經(jīng)出現(xiàn)，但它們犧牲了電氣性能，以實(shí)現(xiàn)良好的耐輻射性。這導(dǎo)致航天用電源的轉(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），這是一種寬帶隙半導(dǎo)體，具有比硅更高的功率轉(zhuǎn)換效率和固有的抗輻射性能。GaN基FET除了能夠顯著提高不同拓?fù)浜痛蠊β史秶纳逃?a href="http://ttokpm.com/tags/dc/dc/" target="_blank">DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率外，還被證明對伽馬輻射和單粒子效應(yīng)具有顯著的耐受性。所有這些特性使得GaN場效應(yīng)晶體管在衛(wèi)星和運(yùn)載火箭的電源中非常有吸引力。

CAES單級隔離DC/DC變換器

CAES（以前稱為Cobham Advanced Electronic Solutions）最近推出了業(yè)界第一款用于高通量衛(wèi)星有效載荷的基于GaN的單級隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。新的SCD51028XXX產(chǎn)品系列提供了業(yè)界最高效的電源轉(zhuǎn)換模塊，用于實(shí)現(xiàn)可重編程和軟件定義的有效負(fù)載。

使用這種新型GaN單級隔離轉(zhuǎn)換器（如圖1所示），CAES將總線電力直接轉(zhuǎn)換到負(fù)載點(diǎn)（POL），而不是使用多級變換來獲得負(fù)載點(diǎn)所需的較低電壓。CAES的單級變換器與兩級變換器不同，兩級變換器的總效率通常達(dá)到80%左右，CAES的單級變換器可以利用GaN技術(shù)在滿載和50%負(fù)載時提供更高的效率。

CAES首席技術(shù)官Dave Young說：“我們開發(fā)了一種新的單級轉(zhuǎn)換器，從28V的母線電壓轉(zhuǎn)換到0.8V的負(fù)載電壓，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過90%?！薄τ谛碌男l(wèi)星產(chǎn)品來說，更高的效率尤其重要，這將對衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)、電池電量、太陽能電池陣列以及實(shí)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。

Dave Young說：“我們非常高興該產(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，因此即使是最小的低軌衛(wèi)星也能安裝，我們將能夠獲得比過去更高的功率轉(zhuǎn)換效率。”。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能框圖如圖2所示，是一種專為抗輻射設(shè)計(jì)的隔離降壓調(diào)節(jié)器。它為LEO星座和較大的衛(wèi)星提供了一個經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案，可執(zhí)行不同負(fù)載點(diǎn)所需的低功率轉(zhuǎn)換。

圖2: CAES 51028XXX系列功能框圖

氮化鎵的性能優(yōu)于硅，這不僅是因?yàn)樗母唛_關(guān)頻率和低RDS（ON），而且還因?yàn)樗旧砭哂锌馆椛湫裕@意味著它可以耐受諸如外層空間之類的輻射環(huán)境。CAES電源系統(tǒng)首席架構(gòu)師Dan Gonzalez說：“盡管航天工業(yè)非常保守，但GaN的耐輻射能力使我們能夠在太空中使用它。我們可以使轉(zhuǎn)換器以更高的頻率切換，使磁路、RDS（ON）和占板面積更小，并使電源更高效?！?。

由于氮化鎵對航天工業(yè)來說是一種相對較新的材料，因此在組件級的篩選非常嚴(yán)格。CAES的工程師必須證明該器件能夠滿足空間要求，增加額外的壽命測試和老化鑒定測試。大多數(shù)測試基于MIL-PRF-38534標(biāo)準(zhǔn)（K類和H類），適用于多芯片模塊和系統(tǒng)，如電源模塊或DC/DC轉(zhuǎn)換器。

今天，許多衛(wèi)星和空間系統(tǒng)都基于28V總線電壓。然而，CAES也在向更高電壓（如100V）發(fā)展，以滿足航天工業(yè)不斷增長的要求。Dan Gonzalez說：“目前，已經(jīng)開發(fā)出許多使用28V總線電壓的POL負(fù)載點(diǎn)供電和系統(tǒng)。因此，28V是我們基于GaN的轉(zhuǎn)換器的第一個目標(biāo)輸入電壓?！薄C/DC轉(zhuǎn)換器既可用于單級操作，也可用于具有共享控制電平的并聯(lián)操作。由于這些是相對高電流模塊（在較低電壓下可提供高達(dá)50A的電流），工程師應(yīng)密切注意模塊并聯(lián)時的布局。并聯(lián)模塊和負(fù)載之間的阻抗差異很小，實(shí)際上可能會造成相當(dāng)大的降額。

如圖2所示，轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程檢測功能，這意味著它能夠以低于標(biāo)準(zhǔn)輸出的電壓調(diào)節(jié)輸出。其它功能包括一個可配置的軟啟動，它允許通過添加一個外部電容器來設(shè)置比默認(rèn)值（2ms）更長的上升時間，以及一個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°異相運(yùn)行。設(shè)備的安全由內(nèi)置保護(hù)功能確保，包括輸入過壓和欠壓停機(jī)、過流和短路保護(hù)。新轉(zhuǎn)換器不會帶來任何熱管理問題，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器中散發(fā)的所有熱量都可以通過設(shè)備的引線排出。作為高電流模塊，PCB線路的銅含量較高，以減少IR壓降，但這也有利于熱量傳播。

Dan Gonzalez說：“我們的熱分析和測量結(jié)果表明，從轉(zhuǎn)換器的最熱點(diǎn)到最冷點(diǎn)（即設(shè)備的引線）之間只有2-3°C的溫差。”。盡管基于CAES-GaN的DC/DC轉(zhuǎn)換器適用于LEO和GEO軌道衛(wèi)星，但它們的設(shè)計(jì)目的是盡可能降低成本，使其對LEO星座衛(wèi)星更具吸引力，因?yàn)橛杏?jì)劃在那里設(shè)置許多便宜的衛(wèi)星。

“客戶總是希望設(shè)備尺寸更小、效率更高、成本合理。我們認(rèn)為該設(shè)備在所有三個方面都達(dá)到了這一目標(biāo)。我們將。我們的路線圖將包括所有這些項(xiàng)目，以及不同的電壓水平”， Dan Gonzalez說。

審核編輯：湯梓紅