【原】功率電子|寬禁帶半導(dǎo)體開始在空間應(yīng)用大展拳腳

大國(guó)重器元器件 2020-09-11

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氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體不斷被證明是功率電子領(lǐng)域最有前景的材料,。與傳統(tǒng)硅基技術(shù)相比，寬禁帶材料具有多種優(yōu)勢(shì),，如功率高,、對(duì)輻射不敏感、可在高溫下工作,，開關(guān)頻率高,、噪聲低，功耗低和效率高等,。因此,，寬禁帶半導(dǎo)體對(duì)于下一代空間系統(tǒng)的發(fā)展具有戰(zhàn)略性重要意義。增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN）已被廣泛用于空間用場(chǎng)效晶體管（FET）和高電子遷移率晶體管（HEMT）的開發(fā)中。

寬禁帶半導(dǎo)體在空間應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

空間環(huán)境具有特殊性,，會(huì)影響和在某些情況下降低空間用材料的機(jī)械特性,，會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響?？臻g輻射包括85％的質(zhì)子和15％的重核,。輻射可能導(dǎo)致設(shè)備性能的下降，停止和運(yùn)轉(zhuǎn)不連續(xù),?？臻g用電子器件主要受到的空間輻射有單粒子效應(yīng)（SEE）、總電離劑量（TID）,。大多數(shù)抗輻射商用器件的TID是5 krads,。SEE指標(biāo)在衛(wèi)星和航天器等應(yīng)用中尤為重要，包括單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）,、單粒子瞬態(tài)（SET）,、單粒子功能中斷（SEFI）、單粒子?xùn)糯⊿EGR）和單粒子燒毀（SEB）等效應(yīng),。

在空間任務(wù),、高空飛行或戰(zhàn)略軍事應(yīng)用等關(guān)鍵應(yīng)用中所用的功率器件必須避免出現(xiàn)因電離輻射引起的故障和故障。航天器用器件的要求主要是減輕重量和尺寸,、具備高效率和可靠性,。在實(shí)際應(yīng)用中，改用SiC或GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體可提高功率轉(zhuǎn)換效率,，還可在高溫下工作,，進(jìn)一步減少功率轉(zhuǎn)換器中冷卻部件的空間和成本,。商用GaN功率器件能夠提供遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅基抗輻射器件的性能,，將為在衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸,、無(wú)人機(jī),、機(jī)器人技術(shù)和航天器中的應(yīng)用帶來(lái)創(chuàng)新架構(gòu)。

eGaNHEMT的優(yōu)勢(shì)

抗輻射金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的芯片尺寸和品質(zhì)因數(shù)（FoM）已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)極限,，F(xiàn)oM= RDS(ON)×Ciss,，遠(yuǎn)高于eGaN。FoM是個(gè)重要的性能衡量參數(shù),，值越小,，系統(tǒng)的效率越高。此外,，eGaN HEMT易于驅(qū)動(dòng),，與最好的抗輻射MOSFET相比，其所需的柵電荷少10-40倍。GaN器件也可以直接置于陶瓷基板上,，無(wú)需任何外部封裝,，可減少鍵合線和電感，從而達(dá)到更高的開關(guān)速度,。eGaN的開關(guān)速度僅取決于柵極和漏極節(jié)點(diǎn)的電阻和電容,，開關(guān)時(shí)間很容易達(dá)到亞納秒級(jí)，因此在使用這些高性能器件時(shí),，應(yīng)特別注意開發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)和PCB布線階段,。

抗輻射氮化鎵解決方案

瑞薩電子已率先推出抗輻射100V和200V GaN FET功率解決方案，適用于在空間系統(tǒng)中支持一級(jí)和二級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器電源,。這些GaN FET已做過(guò)破壞性SEE性能表征,，也經(jīng)過(guò)了TID輻射測(cè)試。ISL7023SEH（100V,、60A GaN FET）和ISL70024SEH（200V,、7.5A GaN FET）的性能比硅MOSFET高出10個(gè)數(shù)量級(jí)，體積縮小50％,；可減少電源重量,，以較低的開關(guān)功率損耗獲得更高的功率效率。ISL70023SEH在5mΩ（RDS（ON））和14nC（QG）時(shí),，具有業(yè)界最佳的品質(zhì)因數(shù),。以下為兩款產(chǎn)品的外形圖和主要參數(shù)。

VPT提供SGRB系列DC/DC轉(zhuǎn)換器,，專為空間應(yīng)用中的惡劣輻射環(huán)境而設(shè)計(jì),。SGRB系列基于先進(jìn)的GaN技術(shù)，可提供高效率,，減小了系統(tǒng)尺寸,、重量和成本；效率高達(dá)95％,，高于傳統(tǒng)輻射加固硅基產(chǎn)品,，滿足高效率、低噪聲和輻射耐受度至關(guān)重要的應(yīng)用領(lǐng)域需求,。以下為SGRB10028S DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品圖和主要參數(shù),。

Freebird Semiconductor提供了多種集成到GaN適配器模塊（GAM）中的高可靠性GaNHEMT分立器件，及享有專利的多功能電源模塊系列中的電路設(shè)計(jì),。這些通用GaN適配器模塊將eGaN開關(guān)功率HEMT與GaN基高速柵極驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合在一起,，滿足商業(yè)衛(wèi)星使用。

抗輻射FBS-GAM01-P-C50單低側(cè)（Low-side）電源驅(qū)動(dòng)器模塊包含9管腳SMT封裝形式的GaN開關(guān)功率HEMT,。集成的器件包括Freebird的FDA10N30X輸出功率eGaN HEMT開關(guān)和輸出鉗位肖特基二極管,，完全由eGaN開關(guān)元件組成的高速柵極驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。還包括5V輸入VBIAS過(guò)壓鉗位保護(hù)，具有VBIAS欠壓驅(qū)動(dòng)器禁止和報(bào)告功能,。以下為產(chǎn)品的外形圖和主要參數(shù),。