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宽禁带半导体铺就太空之路

2020-05-09 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
宽禁带半导体铺就太空之路
与传统的硅基技术相比,宽禁带半导体材料具有多种优势,例如能管理高功率水平、对辐射不敏感、能在高温和高开关频率下工作,以及低噪声、低功耗和高效率。宽禁带半导体也因此对下一代太空系统的发展有着重要的战略意义。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带半导体已成为硅之后功率电子器件领域最具应用前景的材料。与传统的硅基技术相比,宽禁带半导体材料具有多种优势,例如能管理高功率水平、对辐射不敏感、能在高温和高开关频率下工作,以及低噪声、低功耗和高效率。宽禁带半导体也因此对下一代太空系统的发展有着重要的战略意义。目前,在为太空应用而开发的FET和HEMT中已广泛采用了增强型氮化镓eGaN。0kTednc

辐射对功率器件的影响

太空环境的一些特殊情况可能会影响(在某些情况下甚至降低)太空材料的机械特性,从而对系统的整体运行产生不良影响。0kTednc

太空辐射流主要由85%的质子和15%的重核组成。辐射效应可能使设备受到干扰、性能下降,甚至运行中断。合格的太空元器件最重要的就是能确保可靠、长期的运行。0kTednc

电子元器件在设计之初就需要考虑抗辐射,以便能够抵抗辐射的影响。这种设计可能既昂贵又耗时,但有时却是唯一的解决方案,对保护人类生命或确保太空飞行任务顺利完成至关重要。0kTednc

太空应用中电子元器件受到的太空辐射主要是单粒子效应(SEE),是由地磁场捕获的电子和质子引起的。另一种太空辐射是电离辐射总剂量(TID)效应。这两个概念的区别很简单:SEE是单个高能粒子撞击到器件所产生的影响,TID则是器件长时间暴露于电离辐射下产生的影响。TID暴露量以rad(辐射吸收剂量)为单位进行计量,表示材料暴露于辐射下的总量。0kTednc

对一个给定器件,TID阈值为会引起器件故障的最小辐射吸收剂量。大多数商用抗辐射元器件最大可承受5krads,超过该值就可能引发故障。而SEE指标在卫星和航天器等应用中尤为重要。在系统运行环境中,如果质子和离子的密度高,则可能在电子电路中引发一系列不同的SEE效应,包括单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET)、单粒子功能中断(SEFI)、单粒子栅穿(SEGR)和单粒子烧毁(SEB)。SEE效应可能导致系统性能下降,甚至器件彻底损坏。因此,为确保高可靠性,必须选用已测量并声明辐射影响的元器件。0kTednc

宽禁带在太空系统中的优势

航天器对所用的每一个元器件的基本要求是重量轻、尺寸小、效率和可靠性高。GaN功率器件以迄今为止最小的尺寸实现了最高的效率。砷化镓(GaAs)在电磁兼容性方面也十分出色:它降低了寄生电容,从而减少了在开关周期内存储和释放的能量;它的尺寸更小,因此改善了环路电感,环路电感太大对其用作收发器天线特别不利。在太空任务、高空飞行或战略军事等关键应用中,功率器件必须能够抵抗电离辐射引起故障或失灵。商用GaN功率器件的性能远高于采用传统硅技术的抗辐射器件。因此,利用GaN功率器件可以对架构进行创新,以应用于卫星、数据传输、无人机、机器人和航天器等领域。0kTednc

增强型GaN HEMT

抗辐射MOSFET已经到达其技术极限,其裸片尺寸大,品质因数(FoM,计算公式为FoM=RDS(ON)×Ciss)远高于增强型GaN晶体管。品质因数是一个非常重要的参数,值越小,系统效率越高。增强型GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)所需的栅极驱动电荷比最好的抗辐射MOSFET要少10至40倍,因此更易驱动。GaN器件的物理尺寸也具优势,它可以直接安装在陶瓷衬底上,无需任何外部封装,这样就可能避免引线键合和相关电感,从而达到很高的开关速率。eGaN的开关速率完全取决于栅极和漏极节点的电阻和电容,开关时间很容易达到亚纳秒级。因此,采用这类高性能器件时,在开发的设计阶段和PCB布局阶段都要特别注意。0kTednc

抗辐射GaN方案

半导体解决方案供应商瑞萨电子推出了业界首个采用抗辐射加固技术的100V和200V GaN FET电源解决方案,用来实现太空系统中的初级和次级DC/DC转换器电源。这种GaN FET器件针对破坏性单粒子效应(SEE)作了优化,并完成了电离辐射总剂量(TID)测试。瑞萨电子的ISL7023SEH 100V、60A GaN FET和ISL70024SEH 200V、7.5A GaN FET的性能比硅基MOSFET高出10个数量级,且封装尺寸缩小了一半。电源重量也减轻了,而且由于降低了开关功率损耗,因此电源效率更高。在5mΩ RDS(ON)和14nC(QG)时,ISL70023SEH可实现业界最佳的品质因数(FoM)。图1显示了其具有非常低的RDS(ON)0kTednc

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图1:ISL7023SEH GaN功率晶体管的RDS(ON)0kTednc

VPT公司推出的SGRB系列DC-DC转换器是专门为太空应用中恶劣的辐射环境而设计的。SGRB系列产品采用先进的GaN技术,提高了效率,减小了系统尺寸和重量,并降低了成本。0kTednc

与传统的抗辐射硅基产品相比,GaN技术可提供高达95%的效率,特别适用于要求高效率、低噪声和高度耐辐射的太空通信系统(图2)。0kTednc

Freebird半导体公司也推出了多种高可靠性GaN HEMT分立器件,这些器件集成到GaN适配器模块(GAM)中,用于多功能电源模块系列。这些通用GaN适配器模块(图3)将eGaN开关功率HEMT与GaN高速栅极驱动电路结合在一起,用于商业卫星太空环境中最终应用的设计。0kTednc

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图2:SGRB系列DC-DC转换器。 0kTednc

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图3:Freebird的GaN适配器模块。0kTednc

Freebird的抗辐射加固FBS-GAM01-P-C50单路低侧功率开发驱动器模块采用了GaN开关功率HEMT,这些器件与Freebird的FDA10N30X输出功率eGaN®HEMT开关、输出钳位肖特基二极管集成在一起,并由eGaN开关元件组成的高速栅极驱动电路实现最佳驱动。另外,它还提供+5V输入VBIAS过压钳位保护以及VBIAS欠压驱动器禁用和报告功能,并采用节省空间的9引脚SMT模压环氧树脂封装,为FBS-GAM01-P-R50飞行组件版提供出色的工程实验开发平台。0kTednc

结论

在现代航空航天领域,电子器件无处不在。工程师们正在开发更多的系统,如航天器和卫星。提供连续、可靠的电源对太空任务的成功至关重要。0kTednc

在实际应用中,采用SiC或GaN等宽禁带半导体材料的主要优势是能够提高功率转换效率。0kTednc

宽禁带半导体能够在高温下工作,这也带来了很大好处。它们不只是可在高温条件下使用,整体冷却需求也较低,从而减小了功率转换器中冷却组件的占用空间,降低了成本。0kTednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Wide bandgap semiconductors pave the road to space。)0kTednc

本文为《电子技术设计》2020年05月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里0kTednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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