航空航天領(lǐng)域中的GaN功率器件（下）

氮化鎵(GaN)功率器件可以提高航天電源的效率和功率密度，但要在航天電源廣泛使用，我們需要解決一些特定的挑戰(zhàn)。

1.航天電源的應(yīng)用挑戰(zhàn)

高頻電源集成

由于航天載荷的體積和重量限制，電源的高頻集成成為了一個(gè)挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，利用薄膜磁微電感技術(shù)，可緩解高頻損耗；采用硅通孔(TSV)技術(shù)和封裝技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)器件在同一硅基片上的集成。部分研究機(jī)構(gòu)還開(kāi)發(fā)了全芯片上集成的諧振式升壓DC/DC變換器，降低了電源尺寸和寄生損耗。

通過(guò)在垂直方向進(jìn)一步發(fā)展電源，實(shí)現(xiàn)器件以及晶體管級(jí)的電子組件的集成，可顯著提升面積密度和降低信號(hào)延遲。

散熱問(wèn)題

對(duì)于集成電源模塊，由于器件在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量熱量，我們需要及時(shí)將這些熱量擴(kuò)散開(kāi)，以確保源的可靠性。目前解決航空電源散熱問(wèn)題的方法包括改進(jìn)器件本身、優(yōu)化封裝方式、采用高導(dǎo)熱材料以及設(shè)計(jì)良好的散熱通道等。

但是航天環(huán)境的特殊性使得航天電源的散熱更具挑戰(zhàn)性。例如，微重力環(huán)境下不會(huì)產(chǎn)生自然對(duì)流，設(shè)備在艙外真空環(huán)境中也無(wú)法通過(guò)對(duì)流進(jìn)行換熱。因此，研發(fā)和使用壽命將會(huì)受到熱量積累的影響。

基于上述問(wèn)題，研究員發(fā)現(xiàn)使用金剛石作為GaN功率器件襯底的理想材料，因?yàn)樗哂凶罡叩膶?dǎo)熱率。然而，由于金剛石材料價(jià)格昂貴、直接鍵合技術(shù)難度大等問(wèn)題，目前仍然采用SiC作為襯底。

2.器件級(jí)應(yīng)用挑戰(zhàn)

高效、可靠驅(qū)動(dòng)的研究

有許多研究為減少反向?qū)〒p耗而優(yōu)化了死區(qū)時(shí)間方法，包括固定死區(qū)時(shí)間法、死區(qū)時(shí)間自適應(yīng)法和可重構(gòu)死區(qū)時(shí)間法。另一些研究提出了針對(duì)于壓降的優(yōu)化研究，提出一種三電平驅(qū)動(dòng)方案。

但針對(duì)GaN的驅(qū)動(dòng)研究仍面臨挑戰(zhàn)。例如，GaN功率器件因低閾值電壓，導(dǎo)致在高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中容易產(chǎn)生寄生參數(shù)振蕩。因此，許多公司已經(jīng)研發(fā)了集成驅(qū)動(dòng)芯片。

輻照效應(yīng)

由于航天器需要在高輻照環(huán)境下工作，所以對(duì)GaN的輻照效應(yīng)研究也非常重要。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一定程度上增大柵-漏極之間距離對(duì)于抵抗輻照能力具有明顯增強(qiáng)。

雖然當(dāng)前GaN功率器件在航天電源的發(fā)展緩慢，且其效率明顯低于商業(yè)級(jí)產(chǎn)品，但已有許多研究團(tuán)隊(duì)和公司正在針對(duì)單粒子敏感性問(wèn)題攻關(guān)研究，以滿足未來(lái)航空電源應(yīng)用需求。

GaN功率器件以其卓越的耐高壓、高頻率和高導(dǎo)熱特性，正催生著宇航電源實(shí)現(xiàn)微型化與輕量化的新方向。世界各地的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始探究這些器件在宇航電推進(jìn)和射頻電源應(yīng)用領(lǐng)域的潛力，發(fā)現(xiàn)它們能顯著提升各類(lèi)宇航電源的效率和功率密度。

然而，由于宇航電源整體及其組件面臨的綜合挑戰(zhàn)，GaN功率器件的全面應(yīng)用至今尚未達(dá)成。但是，隨著GaN功率器件輻照強(qiáng)化及驅(qū)動(dòng)方式的創(chuàng)新改良，宇航電源將會(huì)得到更大助推。

結(jié)合高集成度電源設(shè)計(jì)，以及優(yōu)化的宇航電源散熱技術(shù)，都有助于實(shí)現(xiàn)電源從組件到系統(tǒng)的全方位突破。因此，基于GaN功率器件來(lái)研究高頻、高效和輕量化的宇航電源，將引導(dǎo)新一代宇航電源產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)性能參數(shù)的巨大飛躍，并對(duì)未來(lái)宇航電源的工程應(yīng)用價(jià)值產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。