采访 Alex Lidow：探索用于太空电源设计的 GaN

现代电信卫星的结构旨在将它们放置在正确的轨道上并使其能够更有效地运行。卫星由核心部分组成，其中包含大部分电气设备、推进系统和相关的坦克。通过伽马射线、中子和重离子，地球轨道上不同卫星以及最远位置的探索卫星上的电子设备暴露在某种能量下。

质子占空间辐射的85% ，而较重的原子核占 15%。辐射的影响会导致设备的功能恶化、中断或停止。

这种轰击会以多种方式损害半导体，包括晶体分解。例如，它可能会在非导电区或电子-空穴对云中产生陷阱，从而通过引起短路来使设备的功能失衡。因为在氮化镓器件中不能形成电子-空穴对，所以来自太空的高能粒子不能引起短暂的短路。

与硅不同，硅需要特定的制造工艺和封装来使半导体免受辐射的影响，而GaN 器件由于其物理特性和结构而在很大程度上抵抗空间辐射造成的损坏。

在接受EPC首席执行官 Alex Lidow 的采访时，我们发现了 GaN 用于空间应用的特性。

亚历克斯·利多

电力电子新闻：GaN 功率半导体在严酷的辐射条件下实现了空间应用的创新。我们在空间设计时需要考虑 GaN 的主要特性是什么？可能导致 GaN 问题的最严重辐射影响是什么？

Alex Lidow：增强型 GaN 晶体管和 IC 没有将栅电极与传导通道分开的氧化物。在 Si MOSFET 中，这种氧化物捕获来自星载伽马辐射的电荷，导致晶体管从增强模式变为耗尽模式。GaN 没有这种失效机制，因此实际上不受伽马辐射引起的退化的影响。

中子和质子辐射对于 Si MOSFET 也是一个问题，但对于 GaN 来说则要少得多。原因是中子和质子的失效机制对半导体晶体造成损坏。这称为位移损伤，很大程度上取决于晶体中化学键的紧密程度。Si原子之间的键比GaN晶体中镓和氮原子之间的键弱得多。因此，与 Si 相比，GaN 器件可以承受更多数量级的中子和质子辐射。

第三种类型的辐射称为重离子。这会导致单事件效应 (SEE)。在 Si MOSFET 中，存在由金或氙等重的高能离子引起的三种主要故障机制：单粒子栅极破裂 (SEGR)、单粒子翻转 (SEU) 和单粒子烧毁 (SEB)。因为 GaN 在栅极中没有精细的氧化物，所以不会发生 SEGR。由于不容易产生可移动的正电荷或空穴，高能粒子无法产生电子空穴云，从而导致 Si MOSFET 中的瞬时短路条件导致 SEU。SEB 再次由晶体损坏引起，因此 GaN 也是该类别的赢家。

空间的 DC/DC 和热管理

PEN：地球上的经典 DC/DC 转换器与太空中的经典 DC/DC 转换器在设计和建模（使用 GaN）方面有何不同？

丽都：在为空间开发 DC/DC 转换器时，设计人员需要了解源自高辐射环境的独特要求。例如，伽马辐射会导致 Si MOSFET 的阈值电压随时间降低，甚至在某些时候变为负值。使用双极脉冲驱动设备会有所帮助。这对于 GaN 来说是不需要的。但也许最显着的区别是 GaN 器件没有导致瞬时短路的单事件翻转。因此，使用 Si MOSFET 的设计避免了半桥电路，在这种电路中，瞬时短路会导致可能导致灾难性故障的直通条件。因此，反激式拓扑结构最流行，尽管其效率或体积不如基于高频半桥的转换器拓扑结构那么小。IN至 28V OUT隔离转换器。目前最好的硅 MOSFET 解决方案的效率仅为 91%。

图 1：适用于空间应用的 100VIN 至 28VOUT 隔离式 DC/DC 转换器 VPT SGRB10028S 的效率为 96%。

PEN：电子元件和电路的热管理对于确保系统在所有操作环境下的正确运行和可靠性至关重要。设计人员必须掌握 GaN 等宽带隙半导体的挑战，才能充分实现其承诺。通过在更高的开关频率和更高的功率密度下运行，可以减少无源元件（电感器和电容器）并构建更轻、更小的系统。与空间有关的注意事项是什么？

Lidow：卫星成本的最大驱动因素是重量。在电力系统中，重量与效率成正比。系统效率越高，系统越小，所需的热管理就越少。GaN 晶体管的效率远高于 Si MOSFET。它们还支持更高频率的设计，从而减小无源元件的尺寸，从而减轻系统的重量。GaN 器件的热效率也更高，因此它们不仅产生的热量更少，而且还需要更小的热管理系统来进行冷却。

效率、挑战和配置

PEN：与硅相比，GaN 的效率有哪些？

Lidow：将抗辐射 (rad-hard) GaN 晶体管与抗辐射 Si MOSFET 进行比较，可以看出这两种技术之间的巨大性能差距。让我们选择一个具体的例子，FBG20N18 GaN FET 与 IRHNA67260。两者都是具有大约相同 R DS(on) 的200-V 晶体管，但是，GaN 器件：

是尺寸和重量的 1/10

具有开关所需电容的 1/40

具有零反向恢复

更耐辐射

价格是硅 MOSFET 的一半

PEN：你能举出一些实施解决方案的例子吗？

Lidow：当今空间轨道系统的两个例子是 DC/DC 转换器，例如上面讨论的那个，以及反作用轮电机驱动器（见图 2）。反作用轮使卫星保持稳定的方向，如今有数千颗这样的卫星使用 EPC Space 的 FBS-GAM02 混合模块在轨道上运行。这些模块包括一个带有驱动和电平转换电子设备的半桥电路，可以节省空间并且抗辐射。太空中也有许多 LiDAR 系统使用 GaN 器件，其原因与自动驾驶汽车使用 GaN 的原因相同：它可以产生驱动激光器的高电流和极窄脉冲。这些高电流和窄脉冲意味着 LiDAR 系统可以看得更远，分辨率更高。GaN 器件的抗辐射性降低了任何屏蔽要求。

PEN：太空供电有哪些问题？消费者有什么问题要问你，GaN 如何改进以提供最好的产品？

Lidow：今天，抗辐射 GaN 晶体管可用于替代大多数抗辐射 Si MOSFET。客户对性能、可靠性，尤其是低成本感到非常满意——大约是抗辐射硅 MOSFET 成本的一半。我们收到了很多要求将我们的抗辐射产品线扩展到集成电路，以便可以将相同程度的抗辐射扩展到系统的其余部分。我们已经通过 EPC Space GAM 系列提供了 GaN 驱动模块，并将在今年第四季度推出一系列用于 GaN 晶体管的 GaN IC 驱动器。将来，我们还将提供像商用 EPC2152 那样的抗辐射单片功率级。除了功率级之外，我们还计划将我们的产品发展成完整的片上系统，这将是抗辐射的。

PEN：GaN 功率晶体管是空间功率转换应用的理想选择。当暴露于各种形式的辐射时，它们比抗辐射 MOSFET 更坚固。GaN的电学和热学性能在太空环境中也表现出卓越的运行性能。实现空间的广泛采用面临哪些挑战？您认为未来扩张的重要机会在哪里？

丽都：与抗辐射 GaN 器件相比，抗辐射硅 MOSFET 的性能更低、更大、更弱且更昂贵。他们的交货时间也非常长。今天，我们充斥着大量的业务，并没有看到任何剩余的采用障碍。最具挑战性的是将第一批零件送入太空。卫星设计师天生保守，因此不愿尝试新事物。GaN 的优势如此引人注目，以至于我们能够说服卫星设计人员从大约五年前开始推出产品。今天，从低地球轨道 (LEO) 到地球同步赤道轨道 (GEO) 的轨道上有超过 50,000 个组件，GEO 在可靠性和辐射耐受性方面的要求最高。建立传统后，设计人员很快就开始使用我们的 GaN 产品。最大的机会将来自 GaN 功率 IC。我们可以在几个 GaN 芯片上集成电机驱动器和电源——所有这些芯片都非常抗辐射。从今年第四季度开始寻找这些 IC。

可以使用 GaN 的关键领域是射频和功率转换。由于其小巧的外形和出色的效率，电源设计人员可以选择 GaN 晶体管而不是硅晶体管。与具有更高热管理需求的硅器件相比，GaN 晶体管浪费更少的功率并具有更高的热导率。新的功率器件本质上也是抗辐射的，可以在高达 600˚C 的温度下运行。由于太空任务所需的电压低于典型的交流线路电压，因此最好使用 200-V 和偶尔 300-V 的设备。在该范围内，GaN 的性能仅优于碳化硅，使其成为首选。氮化镓作为横向器件，将来也将更容易加入。

审核编辑 黄昊宇