在過去幾年中，航天市場通過采用以前在空間系統中看不到的新技術，朝著更高效的電源解決方案發展。空間硬件受到惡劣環境條件的影響，包括電離輻射，因此必須使用抗輻射部件。自幾年前以來，耐輻射功率MOSFET已經出現，但它們犧牲了電氣性能，以實現良好的耐輻射性。這導致航天用電源的轉換效率遠低于商用電源。在最新的技術中出現了氮化鎵（GaN），這是一種寬帶隙半導體，具有比硅更高的功率轉換效率和固有的抗輻射性能。GaN基FET除了能夠顯著提高不同拓撲和大功率范圍的商用DC/DC轉換器的效率外，還被證明對伽馬輻射和單粒子效應具有顯著的耐受性。所有這些特性使得GaN場效應晶體管在衛星和運載火箭的電源中非常有吸引力。

CAES單級隔離DC/DC變換器

CAES（以前稱為Cobham Advanced Electronic Solutions）最近推出了業界第一款用于高通量衛星有效載荷的基于GaN的單級隔離DC/DC轉換器。新的SCD51028XXX產品系列提供了業界最高效的電源轉換模塊，用于實現可重編程和軟件定義的有效負載。

使用這種新型GaN單級隔離轉換器（如圖1所示），CAES將總線電力直接轉換到負載點（POL），而不是使用多級變換來獲得負載點所需的較低電壓。CAES的單級變換器與兩級變換器不同，兩級變換器的總效率通常達到80%左右，CAES的單級變換器可以利用GaN技術在滿載和50%負載時提供更高的效率。

CAES首席技術官Dave Young說：“我們開發了一種新的單級轉換器，從28V的母線電壓轉換到0.8V的負載電壓，其效率遠遠超過90%。”。對于新的衛星產品來說，更高的效率尤其重要，這將對衛星的熱設計、電池電量、太陽能電池陣列以及實現低功耗解決方案所需的所有設備產生相關影響。

Dave Young說：“我們非常高興該產品將支持更小的系統。我們的產品只有3英寸寬2英寸長，因此即使是最小的低軌衛星也能安裝，我們將能夠獲得比過去更高的功率轉換效率。”。

DC/DC轉換器的功能框圖如圖2所示，是一種專為抗輻射設計的隔離降壓調節器。它為LEO星座和較大的衛星提供了一個經濟實惠的解決方案，可執行不同負載點所需的低功率轉換。

圖2: CAES 51028XXX系列功能框圖

氮化鎵的性能優于硅，這不僅是因為它的高開關頻率和低RDS（ON），而且還因為它本身具有抗輻射性，這意味著它可以耐受諸如外層空間之類的輻射環境。CAES電源系統首席架構師Dan Gonzalez說：“盡管航天工業非常保守，但GaN的耐輻射能力使我們能夠在太空中使用它。我們可以使轉換器以更高的頻率切換，使磁路、RDS（ON）和占板面積更小，并使電源更高效。”。

由于氮化鎵對航天工業來說是一種相對較新的材料，因此在組件級的篩選非常嚴格。CAES的工程師必須證明該器件能夠滿足空間要求，增加額外的壽命測試和老化鑒定測試。大多數測試基于MIL-PRF-38534標準（K類和H類），適用于多芯片模塊和系統，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也在向更高電壓（如100V）發展，以滿足航天工業不斷增長的要求。Dan Gonzalez說：“目前，已經開發出許多使用28V總線電壓的POL負載點供電和系統。因此，28V是我們基于GaN的轉換器的第一個目標輸入電壓。”。DC/DC轉換器既可用于單級操作，也可用于具有共享控制電平的并聯操作。由于這些是相對高電流模塊（在較低電壓下可提供高達50A的電流），工程師應密切注意模塊并聯時的布局。并聯模塊和負載之間的阻抗差異很小，實際上可能會造成相當大的降額。

如圖2所示，轉換器實現了遠程檢測功能，這意味著它能夠以低于標準輸出的電壓調節輸出。其它功能包括一個可配置的軟啟動，它允許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180°異相運行。設備的安全由內置保護功能確保，包括輸入過壓和欠壓停機、過流和短路保護。新轉換器不會帶來任何熱管理問題，因為轉換器中散發的所有熱量都可以通過設備的引線排出。作為高電流模塊，PCB線路的銅含量較高，以減少IR壓降，但這也有利于熱量傳播。

Dan Gonzalez說：“我們的熱分析和測量結果表明，從轉換器的最熱點到最冷點（即設備的引線）之間只有2-3°C的溫差。”。盡管基于CAES-GaN的DC/DC轉換器適用于LEO和GEO軌道衛星，但它們的設計目的是盡可能降低成本，使其對LEO星座衛星更具吸引力，因為有計劃在那里設置許多便宜的衛星。

“客戶總是希望設備尺寸更小、效率更高、成本合理。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。我們的路線圖將包括所有這些項目，以及不同的電壓水平”， Dan Gonzalez說。

審核編輯：湯梓紅