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

近年來，通過在空間系統(tǒng)中使用以前未知的技術(shù)，空間市場(chǎng)已轉(zhuǎn)向更高效的電源解決方案。由于太空硬件會(huì)受到極端環(huán)境條件的影響，包括電離輻射，因此需要抗輻射組件。耐輻射功率MOSFET已經(jīng)問世好幾年了，但它們?yōu)榱双@得高耐輻射性而犧牲了電氣性能。因此，空間級(jí)電源的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于商用電源。氮化鎵(GaN) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，具有比硅更高的功率轉(zhuǎn)換效率和本征輻射保護(hù)，已成為最新的創(chuàng)新之一。除了顯著提高各種拓?fù)浜凸β始?jí)別的商用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率外，基于 GaN 的 FET 還表現(xiàn)出對(duì)伽馬輻射和單事件效應(yīng) (SEE) 的非凡彈性。所有這些特性使 GaN FET 非常適合用于衛(wèi)星和運(yùn)載火箭的電源。

CAES（前身為 Cobham Advanced Electronic Solutions）推出了業(yè)界首款用于高吞吐量衛(wèi)星有效載荷的基于 GaN 的單級(jí)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。新的 SCD51028XXX 產(chǎn)品系列提供市場(chǎng)上最高效的電源轉(zhuǎn)換模塊，允許可重新編程和軟件定義的有效載荷。

CAES 通過其革命性的 GaN 單級(jí)隔離轉(zhuǎn)換器將總線功率直接轉(zhuǎn)換到負(fù)載點(diǎn) (POL)，而不是利用多個(gè)級(jí)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載點(diǎn)所需的較低電壓。與通常達(dá)到約 80% 整體效率的兩級(jí)轉(zhuǎn)換器不同，CAES 的單級(jí)轉(zhuǎn)換器可以使用 GaN 技術(shù)在滿載和 50% 負(fù)載下提供更好的效率。

更高的效率對(duì)于新的衛(wèi)星產(chǎn)品尤為重要，這對(duì)衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)以及電池電量、太陽能電池陣列和提供低功耗解決方案所需的其他設(shè)備的數(shù)量都有影響。

“我們對(duì)這項(xiàng)創(chuàng)新將實(shí)現(xiàn)更小的系統(tǒng)感到非常興奮。” “我們的設(shè)備只有 3 英寸寬 x 2 英寸長(zhǎng)，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?qū)崿F(xiàn)比過去更高的功率轉(zhuǎn)換效率，”Dave Young 解釋說。

圖 2 描繪了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功能框圖，它是一種專為抗輻射而設(shè)計(jì)的隔離式降壓穩(wěn)壓器。對(duì)于 LEO 星座和更大的衛(wèi)星來說，它都是一種具有成本效益的解決方案，可實(shí)現(xiàn)不同需求位置所需的低功率轉(zhuǎn)換。

圖2：CAES 51028XXX系列功能框圖

氮化鎵的性能優(yōu)于硅，不僅因?yàn)樗哂锌焖匍_關(guān)頻率和低 RDS(ON)，還因?yàn)樗举|(zhì)上是抗輻射的，這意味著它可以承受外太空等輻射環(huán)境。

“盡管太空業(yè)務(wù)相當(dāng)謹(jǐn)慎，但 GaN 的輻射硬度使我們能夠在太空中使用它?！?“我們可以使我們的轉(zhuǎn)換器以更高的頻率開關(guān)，縮小磁性元件、RDS(ON) 和占位面積，并提高芯片效率，”CAES 的電源系統(tǒng)首席架構(gòu)師 Dan Gonzalez 說。

因?yàn)镚aN在航天領(lǐng)域是一種比較新的材料，所以元件級(jí)篩選已經(jīng)相當(dāng)徹底。CAES 工程師必須通過執(zhí)行額外的壽命測(cè)試和老化鑒定測(cè)試來證明該設(shè)備可以滿足空間限制。MIL-PRF-38534 標(biāo)準(zhǔn)用于大多數(shù)這些測(cè)試（K 類和 H 類），適用于多芯片模塊和系統(tǒng)，例如電源模塊或 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 也在向更高的電壓（例如 100V）推進(jìn)和發(fā)展，以解決來自航天工業(yè)的日益增長(zhǎng)的需求。
“目前，有很多負(fù)載點(diǎn)和系統(tǒng)是使用 28V 總線電壓開發(fā)的。因此，28V 是我們基于 GaN 的轉(zhuǎn)換器所針對(duì)的第一個(gè)輸入電壓”，Dan Gonzalez 說。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器既可用于單一操作，也可用于具有共享控制級(jí)別的并聯(lián)操作。由于這些是相對(duì)高電流的模塊（它們可以在較低電壓下提供高達(dá) 50A 的電流），因此工程師在模塊并聯(lián)時(shí)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(shí)際上可能代表相當(dāng)多的下降。

如圖 2 所示，轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程感應(yīng)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。其他功能包括一個(gè)可配置的軟啟動(dòng)，它允許您通過添加一個(gè)外部電容器來設(shè)置比默認(rèn)值 (2ms) 更長(zhǎng)的上升時(shí)間，以及一個(gè)用于處理外部同步信號(hào)的專用輸入引腳。當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器使用同步引腳同步時(shí)，它們將同相或異相 180° 運(yùn)行。內(nèi)置保護(hù)功能可確保設(shè)備的安全性，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(huì)造成任何熱管理問題，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器中散發(fā)的所有熱量都可以通過器件的引線排出。作為大電流模塊，PCB 走線具有高含量的銅以減少 IR-Drop，但這也允許熱量散布。

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

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雖然基于 CAES GaN 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器適用于 LEO 和 GEO 軌道，但它們的設(shè)計(jì)目的是盡可能降低成本，使其對(duì) LEO 星座更具吸引力，因?yàn)橛杏?jì)劃放置大量廉價(jià)衛(wèi)星在上面。

“客戶總是希望設(shè)備尺寸更小、效率更高、成本更低。我們認(rèn)為該設(shè)備在所有三個(gè)方面都達(dá)到了這一目標(biāo)。我們將繼續(xù)在其他功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中推廣和推進(jìn) GaN FET，不僅包括隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，還包括降壓轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、功率控制器和總線控制器。我們的路線圖是包括所有這些項(xiàng)目，以及不同的電壓水平”，Dan Gonzalez 說。


審核編輯：劉清