寬能隙半導體鋪平太空發展之路

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics

氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等寬能隙(WBG)半導體已成為矽之後功率電子元件領域最具應用前景的材料。與傳統的矽基技術相比,寬能隙半導體材料具有多種優勢,也因此對下一代太空系統的發展有著重要的戰略意義,目前,在為太空應用而開發的FET和HEMT中已廣泛採用了增強型氮化鎵(eGaN)。

氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等寬能隙(WBG)半導體已成為矽之後功率電子元件領域最具應用前景的材料。與傳統的矽基技術相比,寬能隙半導體材料具有多種優勢,例如能管理高功率電平、對輻射不敏感、能在高溫和高開關頻率下工作,以及低雜訊、低功耗和高效率。寬能隙半導體也因此對下一代太空系統的發展有著重要的戰略意義,目前,在為太空應用而開發的FET和HEMT中已廣泛採用了增強型氮化鎵(eGaN)。

輻射對功率元件的影響

太空環境的一些特殊情況可能會影響(在某些情況下甚至降低)太空材料的機械特性,從而對系統的整體運作產生負面影響。

太空輻射流主要由85%的質子和15%的重核組成。輻射效應可能使設備受到干擾,性能下降,甚至運作中斷,合格的太空元件最重要的就是能確保可靠、長期的運作。

電子元件在設計之初就需要考慮抗輻射,以便能夠承受輻射的影響。這種設計可能既昂貴又耗時,但有時卻是唯一的解決方案,對保護人類生命或確保重要的太空飛行任務順利完成至關重要。

太空應用中電子元件受到的太空輻射主要是單粒子效應(SEE),是地磁場擷取的電子和質子引起。另一種重要的太空輻射是電離輻射總劑量(TID)效應。這兩個概念的區別很簡單:SEE是單個高能粒子撞擊到元件所產生的影響,TID則是元件長時間暴露於電離輻射下產生的影響;TID暴露量以rad(輻射吸收劑量)為單位進行計量,表示材料暴露於輻射下的總量。

對一個給定元件,TID閾值就是會引起元件故障的最小輻射吸收劑量。大多數商用抗輻射元件最大可承受5krads,超過該值就可能引發故障。而SEE指標在衛星和太空船等應用中尤為重要。在系統運作環境中,如果質子和離子的密度高,則可能在電子電路中引發一系列不同的SEE效應,包括單粒子翻轉(SEU)、單粒子瞬態(SET)、單粒子功能中斷(SEFI)、單粒子閘穿(SEGR)和單粒子燒毀(SEB)。SEE效應可能導致系統性能下降,甚至元件徹底損壞,因此,為確保高可靠性,必須選用已測量並聲明輻射影響的元件。

寬能隙在太空系統中的優勢

太空船對所用的每一個元件的基本要求是重量輕、尺寸小、效率和可靠性高。GaN功率元件以迄今為止最小的尺寸實現了最高的效率。砷化鎵(GaAs)在電磁相容性方面也十分出色:它降低了寄生電容,從而減少了在開關週期內儲存和釋放的能量;它的尺寸更小,因此改善了迴路電感,迴路電感太大對其用作收發器天線特別有害。在太空任務、高空飛行或戰略軍事等關鍵應用中,功率元件必須能夠抵抗電離輻射引起故障或失靈。商用GaN功率元件的性能遠高於採用傳統矽技術的抗輻射元件,因此,利用GaN功率元件可以對架構進行創新,以應用於衛星、資料傳輸、無人機、機器人和太空船等領域。

eGaN HEMT

抗輻射MOSFET已經到達其技術極限,它裸片尺寸大,品質因數(FoM,計算公式為FoM=RDS(ON)×Ciss)遠高於eGaN電晶體。品質因數是一個非常重要的參數,其值越小,系統效率越高。eGaN高電子移動率電晶體(HEMT)所需的閘極驅動電荷比最好的抗輻射MOSFET要少10~40倍,因此更易驅動。GaN元件的物理尺寸也具優勢,它可以直接安裝在陶瓷基板上,無需任何外部封裝,這樣就可能避免打線接合(Wire bonding)和相關電感,從而達到很高的開關速率。eGaN的開關速率完全取決於閘極和汲極節點的電阻和電容,開關時間很容易達到亞奈秒級。因此,採用這類高性能元件時,在開發的設計階段和PCB佈局階段都要特別注意。

抗輻射GaN方案

半導體解決方案供應商瑞薩電子(Renesas)推出了業界首個採用抗輻射加固技術的100V和200V GaN FET電源解決方案,用來實現太空系統中的初級和次級DC/DC轉換器電源。這種GaN FET元件針對破壞性SEE作了最佳化,並完成了電離TID測試。瑞薩電子的ISL7023SEH 100V、60A GaN FET和ISL70024SEH 200V、7.5A GaN FET的性能比矽基MOSFET高出10個數量級,且封裝尺寸縮小了一半。電源重量也減輕了,而且由於降低了開關功率損耗,因此電源效率更高。在5mΩ RDS(ON)和14nC(QG)時,ISL70023SEH可實現業界最佳的FoM,圖1顯示了其具有非常低的RDS(ON)

圖1 ISL7023SEH GaN功率電晶體的RDS(ON)

VPT推出的SGRB系列DC-DC轉換器是專門為太空應用中惡劣的輻射環境而設計。SGRB系列產品採用先進的GaN技術,提高了效率,減小了系統尺寸和重量,並降低了成本。

與傳統的抗輻射矽基產品相比,GaN技術可提供高達95%的效率,特別適用於要求高效率、低雜訊和高度耐輻射的太空通訊系統(圖2)。

圖2 SGRB系列DC-DC轉換器。

Freebird半導體也推出了多種高可靠性GaN HEMT離散元件,這些元件整合到GaN適配器模組(GAM)中,用於多功能電源模組系列。這些通用GaN適配器模組(圖3)將eGaN開關功率HEMT與GaN高速閘極驅動電路結合,用於商業衛星太空環境中最終應用的設計。

圖3 Freebird的GaN適配器模組。

Freebird的抗輻射加固FBS-GAM01-P-C50單路低側功率開發驅動器模組採用了GaN開關功率HEMT,這些元件與Freebird的FDA10N30X輸出功率eGaN HEMT開關、輸出鉗位蕭特基二極體整合,並由eGaN開關元件組成的高速閘極驅動電路實現最佳驅動。另外,它還提供+5V輸入VBIAS過壓鉗位保護,以及VBIAS欠壓驅動器禁用和報告功能,並採用節省空間的9接腳SMT模壓環氧樹脂封裝,為FBS-GAM01-P-R50飛行元件版提供出色的工程實驗開發平台。

結論

在現代航空航太領域,電子元件無處不在。工程師們正在開發更多的系統,如太空船和衛星。提供連續、可靠的電源對太空任務的成功至關重要。

在實際應用中,採用SiC或GaN等寬能隙半導體材料的主要優勢是能夠提高功率轉換效率。

寬能隙半導體能夠在高溫下工作,這也帶來了很大好處。它們不只是可在高溫條件下使用,整體冷卻需求也較低,從而減少了功率轉換器中冷卻零件的佔用空間,並降低了成本。

(參考原文:Wide bandgap semiconductors pave the road to space,by Maurizio Di Paolo Emilio)

 

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