寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)天基平臺(tái)能量收集的功率效率

隨著功率電子器件在國防領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，功率電子技術(shù)控制和調(diào)節(jié)復(fù)雜航空和國防集成系統(tǒng)電力，其依賴新的體系架構(gòu)方法來實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、重量和功耗和成本（SWaP-C）。新的設(shè)計(jì)和開放系統(tǒng)架構(gòu)使功率器件制造商能夠?yàn)楦鞣N陸地、飛機(jī)和太空應(yīng)用提供小型、輕量和高功效的器件。

Vicor公司、科巴姆公司、軍用功率資源公司、VPT公司相關(guān)人員就如何降低功率電子器件的SWaP-C發(fā)表自己的看法，結(jié)論如下。

圖1 VPT公司正在尋求商用現(xiàn)貨功率技術(shù)，以合理的成本為客戶提供充足功率性能

在AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換器等功率電子器件中，增強(qiáng)的電源效率、熱管理，以及抗電磁干擾（EMI）影響正在有助于推出更小、更輕、更緊湊集成的新型軍用電子系統(tǒng)，且比以往更容易冷卻。這些小尺寸、高能效器件應(yīng)用在新型航空航天和國防電子中，諸如無人駕駛車輛、監(jiān)視雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)彈和導(dǎo)彈防御、紅外傳感器、可穿戴電子設(shè)備，以及甚至可能的天基能量收集。

功率電子設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)SWaP目標(biāo)的一種方法是提高效率。Vicor公司工程師正在對公司DCM產(chǎn)品采用不同的方法，即超越傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)化盒方式，這就使得他們能夠設(shè)計(jì)比公司上一代功率轉(zhuǎn)換盒小兩至三倍的器件。

功率效率是功率電子器件的關(guān)鍵

Vicor公司高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Kai Johnstad表示，效率是功率電子器件的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)換的有用功率越大，產(chǎn)生的廢熱就越少。正在轉(zhuǎn)換的功率越多，它就越容易冷卻。Vicor公司DCM產(chǎn)品并非真正的轉(zhuǎn)化盒，而是一個(gè)能夠更小封裝的功率組件。

Vicor公司美洲地區(qū)負(fù)責(zé)銷售的副總裁John Sturm指出，該公司在轉(zhuǎn)換盒上的新方法也意味著其可以提供更多可交付的功率，設(shè)計(jì)人員可為其產(chǎn)品增加更多特征，或者增加更多功能，因?yàn)樗麄儞碛锌捎霉β?。該公司所做的不同之處在于其轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以更高的頻率對切換器進(jìn)行切換，使設(shè)計(jì)人員能夠減少磁性組件的尺寸。與競爭對手相比，公司制造的磁性組件的尺寸和重量要小得多。

這與該公司的舊式功率轉(zhuǎn)換盒設(shè)計(jì)不同。在最初轉(zhuǎn)換盒產(chǎn)品時(shí)，該公司利用了使用轉(zhuǎn)換元件金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管（MOSFET）調(diào)頻技術(shù)的優(yōu)勢，這種元件能夠切斷電流。然而，轉(zhuǎn)換可能會(huì)產(chǎn)生噪聲和損耗，而公司專注于零電壓和電流切換，以確保沒有電流流經(jīng)器件。開關(guān)僅在零電流時(shí)開啟或關(guān)閉，對開關(guān)產(chǎn)生的損耗幾乎為零。

圖2軍用功率資源公司生產(chǎn)以VPX封裝的功率電子產(chǎn)品，以提高設(shè)計(jì)靈活性并降低成本

科巴姆半導(dǎo)體解決方案公司專門研究載人空間和衛(wèi)星應(yīng)用的功率產(chǎn)品，在太空環(huán)境下，功率效率至關(guān)重要。該公司應(yīng)用工程師Tim Meade表示，寬禁帶技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基本推動(dòng)力。尺寸、重量、功率和成本等屬性對衛(wèi)星和小型衛(wèi)星的變革至關(guān)重要。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工程人員需要提高功率密度，提高功率效率，獲取智能功率和收集能量。

寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)天基平臺(tái)能量收集的功率效率

能量收集是指從環(huán)境中提取電能，例如太陽能電池陣列和光伏電池。在地球上，通過風(fēng)力發(fā)電和移動(dòng)波浪的運(yùn)動(dòng)收集能量是能量收集的主要應(yīng)用，但在太空中面臨的挑戰(zhàn)更加棘手。

科巴姆半導(dǎo)體解決方案公司應(yīng)用工程師Tim Meade表示，像氮化鎵這樣的寬禁帶器件具有比硅片更小的柵極電容和更低的柵極電荷。因?yàn)榭梢愿焖俚厍袚Q器件并將其穩(wěn)壓在目標(biāo)電壓，這種器件的好處是可實(shí)現(xiàn)更好的功率密度。在太空中，通過射頻從天線中提取能量，或者從地球極地球體等電磁場中提取能量的前景令人興奮。這項(xiàng)挑戰(zhàn)在于你能從這種太空環(huán)境中提取多少能量。

寬禁帶技術(shù)，如氮化鎵和碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)是實(shí)現(xiàn)新一代天基能量收集所需的各種功率效率的關(guān)鍵。盡管氮化鎵和碳化硅技術(shù)仍然相對較新，但很多人對太空領(lǐng)域非常感興趣，以脫離標(biāo)準(zhǔn)芯片的使用，利用這些寬禁帶器件。寬禁帶技術(shù)與電壓有關(guān)，寬禁帶器件具有三個(gè)電子伏特，它與轉(zhuǎn)換從傳導(dǎo)到非傳導(dǎo)的定義有很大關(guān)系。

寬禁帶技術(shù)并不是提高太空功率電子效率的唯一關(guān)鍵。衛(wèi)星本身就是自己的能源生態(tài)系統(tǒng)，它自己產(chǎn)生能量，然后對其進(jìn)行冷卻、轉(zhuǎn)換和分配。這是一個(gè)廣泛開放的發(fā)展和進(jìn)步環(huán)境。

跨系統(tǒng)間的電磁干擾影響功率電子器件有效運(yùn)行

功率電子器件如何有效運(yùn)行部分涉及其產(chǎn)生的電磁干擾量。隨著航天器、軍用飛機(jī)、艦船和陸地車輛內(nèi)電子子系統(tǒng)數(shù)量的增加，這對跨系統(tǒng)的電磁干擾量構(gòu)成威脅，這一點(diǎn)尤為重要。

軍用功率資源公司業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Brian Paul表示，飛機(jī)和地面車輛上安裝的系統(tǒng)越來越多，功率越來越多，以及這些系統(tǒng)相互干擾都成為公司關(guān)注的重要問題。電磁干擾已經(jīng)成為該公司發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。該公司將電磁干擾濾波器集成到功率電子模塊中，不僅有助于減小尺寸和重量，還提供開放式架構(gòu)功率器件以節(jié)省成本并提高組件的互操作性。該公司是為數(shù)不多地能夠?qū)㈦姶鸥蓴_濾波器集成到卡上的供應(yīng)商之一，因此其可通過更小的封裝生產(chǎn)出更多功能的產(chǎn)品。

圖3科巴姆公司目標(biāo)是在尺寸和重量靈敏型空間應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)功率電子器件的高效率

軍用功率資源公司業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Brian Paul指出，該公司提供標(biāo)準(zhǔn)3U和6U VPX外形尺寸的功率模塊。作為一個(gè)產(chǎn)品系列，MILVPX基于軍用應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為客戶提供可構(gòu)建的建模塊，且這些建模塊是可裁剪的，這個(gè)整個(gè)行業(yè)是非常強(qiáng)大的。該公司的效率收益來自其功率電路設(shè)計(jì)，其強(qiáng)大高效的設(shè)計(jì)能夠使該公司產(chǎn)品不僅在功率上有所增加，而且能夠降低余熱。

我們能夠從3U外形中看到功率水平的不斷增長，該公司在3U外形尺寸上擁有超過600瓦的功能，通過導(dǎo)軌發(fā)出熱量的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向傳導(dǎo)冷卻是第一步。公司已在電源安裝方面與客戶開展合作，并期待在這一過程早期階段產(chǎn)生的熱量。公司擁有新的VPX產(chǎn)品，當(dāng)需要更快地傳遞熱量時(shí)，這些產(chǎn)品可被傳導(dǎo)冷卻。

開放式體系架構(gòu)為功率電子設(shè)計(jì)提供靈活性

軍用功率資源公司業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Brian Paul表示，該公司成功的一部分源自VPX開放系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性。這一切歸因于外形因素，如果VPX產(chǎn)品滿足客戶外形尺寸要求，那么公司在標(biāo)準(zhǔn)其他方面可以很靈活，這些標(biāo)準(zhǔn)為公司提供了市場發(fā)展方向。

VPT公司工程副總裁Leonard Leslie表示，使用像VPX這樣的開放標(biāo)準(zhǔn)還推動(dòng)功率電子供應(yīng)商幫助其客戶控制成本。在傳統(tǒng)的軍用／航空市場中，許多項(xiàng)目的成本控制壓力越來越大。這種成本壓力取決于客戶需求。有些客戶會(huì)要求全溫度范圍的密封設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些都是項(xiàng)目要求。但如果這些項(xiàng)目要求降低成本，那么商用現(xiàn)貨產(chǎn)品零部件可成為節(jié)省成本的較好選擇，因?yàn)镃OTS零部件在諸如電氣和機(jī)械方面的性能與同等產(chǎn)品類似，但價(jià)格降低。

VPT公司專門從事太空、飛機(jī)和軍用陸地車輛應(yīng)用的功率電子器件。該公司提供全軍用規(guī)格的密封設(shè)備，以及VPT和VXR COTS電源轉(zhuǎn)換器，工作溫度范圍為-55～100攝氏度。由于COTS零部件不能覆蓋整個(gè)溫度范圍，所以在高溫領(lǐng)域就會(huì)失去優(yōu)勢。VXR系列是較新的零部件，擁有更寬的運(yùn)行能力和更寬的輸入范圍，可在沒有浪涌保護(hù)的情況下操作飛機(jī)數(shù)據(jù)總線。

VPT的主要目標(biāo)市場之一是所謂的“新太空”，其中涉及壽命有限的相對便宜的通信衛(wèi)星。在傳統(tǒng)軍事和商用太空應(yīng)用領(lǐng)域是一項(xiàng)健康發(fā)展的業(yè)務(wù)，但目前新的太空領(lǐng)域也引起諸多投資公司的極大興趣，試圖在互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)搭建大型低地球軌道衛(wèi)星群。

圖4 Vicor公司正在超越傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換盒模塊，提供比上一代功率產(chǎn)品小兩至三倍的新設(shè)計(jì)

VPT公司工程副總裁Leonard Leslie指出，搭建衛(wèi)星需要5～7年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)回報(bào)，這些公司需要有一個(gè)過渡期。這些公司負(fù)擔(dān)不起傳統(tǒng)地球同步衛(wèi)星或軍用衛(wèi)星所用全抗輻射、滿足太空質(zhì)量需求的零部件，但其正在努力滿足需求。

COTS零部件是是否能滿足未來中等壽命的衛(wèi)星需求目前尚不清楚。VPT公司正在尋求能夠滿足這些需求的COTS零部件，但也要考慮客戶需求。