近年來，通過在空間系統中使用以前未知的技術，空間市場已轉向更高效的電源解決方案。由于太空硬件會受到極端環境條件的影響，包括電離輻射，因此需要抗輻射組件。耐輻射功率MOSFET已經問世好幾年了，但它們為了獲得高耐輻射性而犧牲了電氣性能。因此，空間級電源的轉換效率遠低于商用電源。氮化鎵(GaN) 是一種寬帶隙半導體，具有比硅更高的功率轉換效率和本征輻射保護，已成為最新的創新之一。除了顯著提高各種拓撲和功率級別的商用 DC/DC 轉換器的效率外，基于 GaN 的 FET 還表現出對伽馬輻射和單事件效應 (SEE) 的非凡彈性。所有這些特性使 GaN FET 非常適合用于衛星和運載火箭的電源。

CAES（前身為 Cobham Advanced Electronic Solutions）推出了業界首款用于高吞吐量衛星有效載荷的基于 GaN 的單級隔離式 DC/DC 轉換器。新的 SCD51028XXX 產品系列提供市場上最高效的電源轉換模塊，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 單級隔離轉換器將總線功率直接轉換到負載點 (POL)，而不是利用多個級來實現負載點所需的較低電壓。與通常達到約 80% 整體效率的兩級轉換器不同，CAES 的單級轉換器可以使用 GaN 技術在滿載和 50% 負載下提供更好的效率。

更高的效率對于新的衛星產品尤為重要，這對衛星的熱設計以及電池電量、太陽能電池陣列和提供低功耗解決方案所需的其他設備的數量都有影響。

“我們對這項創新將實現更小的系統感到非常興奮。” “我們的設備只有 3 英寸寬 x 2 英寸長，因此它甚至可以安裝在最小的 LEO 衛星中，而且我們將能夠實現比過去更高的功率轉換效率，”Dave Young 解釋說。

圖 2 描繪了 DC/DC 轉換器的功能框圖，它是一種專為抗輻射而設計的隔離式降壓穩壓器。對于 LEO 星座和更大的衛星來說，它都是一種具有成本效益的解決方案，可實現不同需求位置所需的低功率轉換。

圖2：CAES 51028XXX系列功能框圖

氮化鎵的性能優于硅，不僅因為它具有快速開關頻率和低 RDS(ON)，還因為它本質上是抗輻射的，這意味著它可以承受外太空等輻射環境。

“盡管太空業務相當謹慎，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換器以更高的頻率開關，縮小磁性元件、RDS(ON) 和占位面積，并提高芯片效率，”CAES 的電源系統首席架構師 Dan Gonzalez 說。

因為GaN在航天領域是一種比較新的材料，所以元件級篩選已經相當徹底。CAES 工程師必須通過執行額外的壽命測試和老化鑒定測試來證明該設備可以滿足空間限制。MIL-PRF-38534 標準用于大多數這些測試（K 類和 H 類），適用于多芯片模塊和系統，例如電源模塊或 DC/DC 轉換器。

今天，許多衛星和空間系統都基于 28V 總線電壓。然而，CAES 也在向更高的電壓（例如 100V）推進和發展，以解決來自航天工業的日益增長的需求。
“目前，有很多負載點和系統是使用 28V 總線電壓開發的。因此，28V 是我們基于 GaN 的轉換器所針對的第一個輸入電壓”，Dan Gonzalez 說。
DC/DC 轉換器既可用于單一操作，也可用于具有共享控制級別的并聯操作。由于這些是相對高電流的模塊（它們可以在較低電壓下提供高達 50A 的電流），因此工程師在模塊并聯時應非常注意布局。并聯模塊和負載之間非常小的阻抗差異實際上可能代表相當多的下降。

如圖 2 所示，轉換器實現了遠程感應功能，這意味著它能夠在低于標準輸出的電壓下調節輸出。其他功能包括一個可配置的軟啟動，它允許您通過添加一個外部電容器來設置比默認值 (2ms) 更長的上升時間，以及一個用于處理外部同步信號的專用輸入引腳。當兩個轉換器使用同步引腳同步時，它們將同相或異相 180° 運行。內置保護功能可確保設備的安全性，包括輸入過壓和欠壓關斷、過流和短路保護。

新轉換器不會造成任何熱管理問題，因為轉換器中散發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。

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

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雖然基于 CAES GaN 的 DC/DC 轉換器適用于 LEO 和 GEO 軌道，但它們的設計目的是盡可能降低成本，使其對 LEO 星座更具吸引力，因為有計劃放置大量廉價衛星在上面。

“客戶總是希望設備尺寸更小、效率更高、成本更低。我們認為該設備在所有三個方面都達到了這一目標。我們將繼續在其他功率轉換應用中推廣和推進 GaN FET，不僅包括隔離式 DC/DC 轉換器，還包括降壓轉換器、電機驅動器、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目，以及不同的電壓水平”，Dan Gonzalez 說。


審核編輯：劉清