軍用、航空系統(tǒng)從 GaN 和 SiC 功率器件中獲得巨大提升

現(xiàn)在，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的寬帶隙 (WBG) 半導體材料滿足了軍事和航空航天系統(tǒng)對更高功率密度和改進冷卻的巨大需求，這讓這兩個行業(yè)松了一口氣. 10 倍電壓阻斷、10 倍至 100 倍開關(guān)速度和十分之一的能量損耗等特性和功能使 WGB 電源模塊成為當前使用的基于硅的設計的一種非?？尚械奶娲夹g(shù)。

新的功率器件本質(zhì)上還具有抗輻射（rad-hard）特性，并提供高達 600C 的理論結(jié)溫運行。除了降低冷卻要求外，它還為電源系統(tǒng)提供高達 10 倍的功率密度，比當前的基于硅的設備。

碳化硅承諾為航空航天業(yè)提供更輕的組件，以降低燃料消耗和排放。這種材料有助于在更小、更輕的設備中針對給定的電壓和電流額定值實現(xiàn)更高的開關(guān)和更高的功率密度。

GaN 與硅一樣，可用于制造二極管和晶體管等半導體器件。電源設計人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅，因為它具有小尺寸和高效率。與具有更高熱管理要求的硅器件相比，GaN 晶體管還消耗更少的功率并提供更高的熱導率。

在這種情況下，65V GaN 技術(shù)正在觸發(fā)新一代雷達系統(tǒng)，這些雷達系統(tǒng)也為一系列商業(yè)應用開辟了機會。根據(jù) Strategy Analytics 的數(shù)據(jù)，到 2022 年，RF GaN 市場將超過 10 億美元，預計軍用雷達領(lǐng)域?qū)⒊蔀閲李I(lǐng)域 GaN 器件的最大用戶。

作為橫向擴散 MOSFET (LDMOS) 組件的替代品或替代品，GaN 組件在雷達系統(tǒng)設計中的使用正在迅速增長。與寄生電容低得多的 GaN 晶體管相比，LDMOS 晶體管具有更高的 CGS/CDS 電容，這將限制帶寬，這使得在相同功率水平下更容易進行寬帶匹配。

圖 1：軍用雷達需求正在推動 65-V GaN 在電子戰(zhàn)市場中的機遇。（圖片：Shutterstock）

航空航天用碳化硅

與過去幾十年相比，最近航空業(yè)經(jīng)歷了快速增長。新的航空航天世界在用于電源和電機控制應用的 SiC 器件中找到了新的電源管理解決方案。碳化硅有望在航空工業(yè)中使用輕質(zhì)組件來降低燃料消耗和排放，而碳化硅 MOSFET 在更高工作溫度下的穩(wěn)定運行引起了研究人員對高功率密度功率轉(zhuǎn)換器的興趣。

然而，使用 SiC 器件的電力電子和電機驅(qū)動電路的關(guān)鍵設計問題之一是柵極驅(qū)動調(diào)節(jié)電路的管理。管理閘門時間是一項嚴峻的挑戰(zhàn)。新的 1,200-V SiC MOSFET 在高溝道遷移率、氧化物壽命和閾值電壓穩(wěn)定性方面達到了出色的質(zhì)量水平，以應對這一挑戰(zhàn)。

Solid State Devices 推出 SFC35N120 1,200-V SiC 功率 MOSFET，用于高可靠性航空航天和國防電力電子應用，如高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器。

這些 N 溝道 MOSFET 在 20 A 和 25°C 時提供 26 A 至 30 A 的最大連續(xù)漏極電流和最大 96 μΩ 的低 RDS(ON)。該器件在 150°C 時的最大點火電阻為 190 mΩ，還具有高溫性能，允許使用更小的器件，便于并行配置，并減少風扇和散熱器等熱管理硬件。

另一種解決方案是 1,200-V CAS325M12HM2 SiC 電源模塊，配置為 SiC 半橋拓撲，來自 Cree 公司 Wolfspeed。它代表了采用高性能 62 毫米封裝的新一代全 SiC 功率模塊。該模塊使用 1,200-V C2M SiC MOSFET 和 1,200-V 肖特基二極管（圖 2）。

65 V 時的 GaN

雷達系統(tǒng)主要用于軍事和國防目的，也廣泛用于汽車領(lǐng)域。最常見的軍用雷達市場是超高頻 (UHF) 雷達、有源電子掃描陣列 (AESA) 雷達、敵我識別 (IFF) 和距離測量設備 (DME)。這些市場需要成百上千瓦的功率放大。

功率放大等技術(shù)進步正在推動輕量級解決方案的發(fā)展。這些應用中使用的主要技術(shù)是 HEMT GaN，因為它具有卓越的性能。

由于其在 L 波段及更高波段以及最近的 UHF 波段的高增益和高功率水平，GaN 在許多應用中迅速獲得了青睞。SiC 襯底上的 GaN HEMT 晶體管可提供出色的散熱性能以實現(xiàn)長期可靠性。GaN-on-SiC 非常適合高功率脈沖應用，其功率密度可實現(xiàn)出色的冷卻管理。出于各種原因，當今的雷達越來越多地使用 GaN-on-SiC 射頻晶體管技術(shù)。這些包括增加的功率、高效率、更高的穩(wěn)健性、更低的功耗、更小的尺寸、頻率可用性、更高的通道溫度和更長的壽命。

在空間應用中，GaN-on-SiC 的可行性最近有所提高，特別是在 GaN 效率與更高頻率工作相輔相成的應用中。GaN 毫米波 (mmWave) 的功率密度帶來了一套新的設計技術(shù)，可用于實現(xiàn)更高水平的熱補償。

Qorvo Inc. 提供各種額定功率的晶體管，以更小、更可靠的外形尺寸實現(xiàn)高功率千瓦級放大。例如，65V GaN-on-SiC 實現(xiàn)了小尺寸、更低的運營成本和更低的射頻前端復雜性。

Qorvo QPD1013是一款 150W (P3dB) 分立式 GaN-on-SiC HEMT，工作頻率范圍為直流至 2.7 GHz。這是一款采用包覆成型塑料封裝的單級、無與倫比的功率放大器晶體管。QPD1013的高功率和寬帶寬使其適用于許多不同的應用（圖 3）。

圖 3：Qorvo QPD1013 的框圖（圖片：Qorvo）

與更傳統(tǒng)的解決方案相比，GaN 技術(shù)對最新一代 AESA 雷達進行了重大改進，旨在顯著提高檢測系統(tǒng)的可靠性、準確性、性能和配置靈活性。例如，在后者中，無源電子掃描陣列 (PESA) 雷達，甚至是帶有伺服電機驅(qū)動天線的不太復雜的系統(tǒng)，都會受到磨損，并且隨著工作周期的增加，故障風險也會增加。

WBG 半導體在下一代星載系統(tǒng)的開發(fā)中具有重要的戰(zhàn)略意義。GaN 的增強模式版本 (eGaN) 廣泛用于開發(fā)用于空間應用的 FET 和 HEMT。

eGaN FET 可提供輻射耐受性、快速開關(guān)速度和更高的效率，從而使電源更小、更輕（磁鐵更小，散熱片尺寸更小，在許多情況下甚至無需散熱片）。電源設計人員可以選擇是增加頻率以允許使用更小的磁體，還是提高效率，甚至為兩者設計一個令人滿意的平衡點。

審核編輯 黃昊宇