寬帶隙 (WBG) 半導體，例如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，已經終結了硅在電力電子領域的主導地位。自硅問世以來，WBG 半導體被證明是電力電子行業(yè)最有前途的材料。與傳統(tǒng)的硅基技術相比，這些材料具有多項優(yōu)勢，例如能夠管理高功率水平、對輻射不敏感、高溫操作、高開關頻率、低噪聲、低功率損耗和高效率。

WBG 半導體對于下一代星載系統(tǒng)的開發(fā)具有戰(zhàn)略意義。氮化鎵的增強模式版本 (eGaN) 廣泛用于開發(fā)用于空間應用的 FET 和 HEMT。

輻射對功率器件

的影響 太空環(huán)境具有特定的條件，這些條件會影響并且在某些情況下會降低天基材料的機械特性，從而對系統(tǒng)運行的整體行為產生負面影響。空間輻射主要由 85% 的質子和 15% 的重核組成。輻射的影響會導致設備性能下降、中斷和不連續(xù)。

空間合格組件的主要要求是確保長期可靠運行的能力。抗輻射或抗輻射設計決定了電子元件承受輻射影響的要求。它可能是最昂貴和最耗時的方法之一，但有時它是電子元件的唯一解決方案，以保護人類生命或保障重要的太空軌道任務。

星載應用中使用的電子元件主要受到空間輻射，稱為單粒子效應或 SEE，由地球磁場中捕獲的電子和質子引起。空間輻射的另一個重要影響是總電離劑量 (TID)。這兩個概念之間的區(qū)別非常簡單：SEE 是單個高能粒子撞擊設備產生的結果，而 TID 衡量的是長時間暴露于電離輻射所產生的影響。

TID 暴露量以輻射吸收劑量 (rads) 為單位測量，量化了材料對輻射的總暴露量。給定一個特定的設備，總劑量輻射閾值是導致設備故障的最小輻射水平。大多數(shù)抗輻射商業(yè)設備在發(fā)生功能故障之前可以承受高達 5 krads 的溫度。SEE 指標在衛(wèi)星和航天器等應用中變得尤為重要。這些系統(tǒng)運行的環(huán)境中存在的高密度質子和離子會在電子電路中引起一系列不同的 SEE，包括單粒子翻轉 (SEU)、單粒子瞬態(tài) (SET)、單粒子功能中斷 ( SEFI)、單事件柵極破裂 (SEGR) 和單事件燒毀 (SEB)。

SEE 事件可能導致系統(tǒng)性能下降，甚至完全破壞。為了確保高度的可靠性，有必要選擇已經測量并聲明了輻射產生的影響的組件。

WBG 在星載系統(tǒng)中的優(yōu)勢

減輕重量和尺寸，以及高效率和可靠性，是用于航天器的組件的基本要求。GaN 功率器件在當今可用的最小占位面積內提供最高水平的效率。氮化鎵在電磁兼容性 (EMC) 方面也具有出色的特性：減小的寄生電容減少了開關周期期間存儲和釋放的能量，而減小的占位面積提高了環(huán)路電感，特別是在用作收發(fā)器天線時具有隱蔽性。

用于空間任務、高空飛行或戰(zhàn)略軍事應用等關鍵應用的電源設備必須能夠抵抗由電離輻射引起的故障和故障。商用 GaN 功率器件的性能明顯高于基于硅技術的傳統(tǒng)抗輻射器件。這允許為衛(wèi)星、數(shù)據(jù)傳輸、無人機、機器人和航天器中的應用實施創(chuàng)新架構。

增強型 GaN HEMT

抗輻射 MOSFET 已達到其技術極限，芯片尺寸大，性能品質因數(shù) (FoM) 由公式 FoM = RDS(ON) × Ciss 表示，遠高于 eGaN 晶體管。FoM是一個非常重要的參數(shù)：值越小，系統(tǒng)的效率就越好。

此外，eGaN HEMT 更容易驅動，因為它們需要的柵極電荷比最好的抗輻射 MOSFET 少 10 到 40 倍。GaN 器件也可以直接安裝在陶瓷基板上，無需任何外部封裝。可以消除焊線和相關電感，從而實現(xiàn)非常高的開關速率。eGaN 開關速度僅由柵極和漏極節(jié)點的電阻和電容決定。

開關時間很容易達到亞納秒級，因此在使用這些高性能器件時，應特別注意開發(fā)的設計和 PCB 布局階段。

抗輻射 GaN 解決方案

領先的先進半導體解決方案供應商瑞薩電子已開發(fā)出業(yè)界首個抗輻射 100-V 和 200-V GaN FET 電源解決方案，適用于在星載中啟用初級和次級 DC/DC 轉換器電源系統(tǒng)。這些 GaN FET 已針對破壞性單事件效應進行了表征，并針對 TID 輻射進行了測試。ISL7023SEH 100-V、60-A GaN FET 和 ISL70024SEH 200-V、7.5-A GaN FET 提供比硅 MOSFET 高出多達 10 個數(shù)量級的性能，同時將封裝尺寸減小了 50%。

它們還減輕了電源重量，并以更少的開關功率損耗實現(xiàn)了更高的電源效率。在 5mΩ RDS(ON) 和 14nC (QG) 條件下，ISL70023SEH 實現(xiàn)了業(yè)界最佳的品質因數(shù)。

VPT Inc. 提供 SGRB 系列 DC/DC 轉換器，專為太空應用中的惡劣輻射環(huán)境而設計。基于先進的 GaN 技術，SGRB 系列可提供高效率，從而減小系統(tǒng)尺寸、重量和成本。

該系列的 GaN 技術效率高達 95%，與傳統(tǒng)的抗輻射硅產品相比，效率更高。它專為要求高效率、低噪聲和輻射耐受性的星載電信而設計。

Freebird Semiconductor 提供多種集成到 GaN 適配器模塊 (GAM) 中的高可靠性 GaN HEMT 分立器件，在其多功能電源模塊系列中創(chuàng)建了專利電路。這些通用 GaN 適配器模塊將 eGaN 開關電源 HEMT 與基于 GaN 的高速柵極驅動電路相結合，用于商業(yè)衛(wèi)星。

抗輻射 FBS-GAM01-P-C50 單低側電源開發(fā)驅動器模塊將 GaN 開關電源 HEMT 集成在九引腳 SMT 包覆成型環(huán)氧樹脂封裝中。集成器件包括 Freebird 的 FDA10N30X 輸出功率 eGaN HEMT 開關和輸出鉗位肖特基二極管，由完全由 eGaN 開關元件組成的高速柵極驅動電路進行最佳驅動。它還包括 5V 輸入 VBIAS 過壓鉗位保護以及 VBIAS 欠壓驅動器禁用和報告。SMT 包覆成型環(huán)氧樹脂封裝為 FBS-GAM01-P-R50 飛行單元版本提供了工程開發(fā)平臺。

審核編輯：湯梓紅