現代電信衛星的結構旨在將它們放置在正確的軌道上并使其能夠更有效地運行。衛星由核心部分組成，其中包含大部分電氣設備、推進系統和相關的坦克。通過伽馬射線、中子和重離子，地球軌道上不同衛星以及最遠位置的探索衛星上的電子設備暴露在某種能量下。

質子占空間輻射的85% ，而較重的原子核占 15%。輻射的影響會導致設備的功能惡化、中斷或停止。

這種轟擊會以多種方式損害半導體，包括晶體分解。例如，它可能會在非導電區或電子-空穴對云中產生陷阱，從而通過引起短路來使設備的功能失衡。因為在氮化鎵器件中不能形成電子-空穴對，所以來自太空的高能粒子不能引起短暫的短路。

與硅不同，硅需要特定的制造工藝和封裝來使半導體免受輻射的影響，而GaN 器件由于其物理特性和結構而在很大程度上抵抗空間輻射造成的損壞。

在接受EPC首席執行官 Alex Lidow 的采訪時，我們發現了 GaN 用于空間應用的特性。

亞歷克斯·利多

電力電子新聞：GaN 功率半導體在嚴酷的輻射條件下實現了空間應用的創新。我們在空間設計時需要考慮 GaN 的主要特性是什么？可能導致 GaN 問題的最嚴重輻射影響是什么？

Alex Lidow：增強型 GaN 晶體管和 IC 沒有將柵電極與傳導通道分開的氧化物。在 Si MOSFET 中，這種氧化物捕獲來自星載伽馬輻射的電荷，導致晶體管從增強模式變為耗盡模式。GaN 沒有這種失效機制，因此實際上不受伽馬輻射引起的退化的影響。

中子和質子輻射對于 Si MOSFET 也是一個問題，但對于 GaN 來說則要少得多。原因是中子和質子的失效機制對半導體晶體造成損壞。這稱為位移損傷，很大程度上取決于晶體中化學鍵的緊密程度。Si原子之間的鍵比GaN晶體中鎵和氮原子之間的鍵弱得多。因此，與 Si 相比，GaN 器件可以承受更多數量級的中子和質子輻射。

第三種類型的輻射稱為重離子。這會導致單事件效應 (SEE)。在 Si MOSFET 中，存在由金或氙等重的高能離子引起的三種主要故障機制：單粒子柵極破裂 (SEGR)、單粒子翻轉 (SEU) 和單粒子燒毀 (SEB)。因為 GaN 在柵極中沒有精細的氧化物，所以不會發生 SEGR。由于不容易產生可移動的正電荷或空穴，高能粒子無法產生電子空穴云，從而導致 Si MOSFET 中的瞬時短路條件導致 SEU。SEB 再次由晶體損壞引起，因此 GaN 也是該類別的贏家。

空間的 DC/DC 和熱管理

PEN：地球上的經典 DC/DC 轉換器與太空中的經典 DC/DC 轉換器在設計和建模（使用 GaN）方面有何不同？

麗都：在為空間開發 DC/DC 轉換器時，設計人員需要了解源自高輻射環境的獨特要求。例如，伽馬輻射會導致 Si MOSFET 的閾值電壓隨時間降低，甚至在某些時候變為負值。使用雙極脈沖驅動設備會有所幫助。這對于 GaN 來說是不需要的。但也許最顯著的區別是 GaN 器件沒有導致瞬時短路的單事件翻轉。因此，使用 Si MOSFET 的設計避免了半橋電路，在這種電路中，瞬時短路會導致可能導致災難性故障的直通條件。因此，反激式拓撲結構最流行，盡管其效率或體積不如基于高頻半橋的轉換器拓撲結構那么小。IN至 28V OUT隔離轉換器。目前最好的硅 MOSFET 解決方案的效率僅為 91%。

圖 1：適用于空間應用的 100VIN 至 28VOUT 隔離式 DC/DC 轉換器 VPT SGRB10028S 的效率為 96%。

PEN：電子元件和電路的熱管理對于確保系統在所有操作環境下的正確運行和可靠性至關重要。設計人員必須掌握 GaN 等寬帶隙半導體的挑戰，才能充分實現其承諾。通過在更高的開關頻率和更高的功率密度下運行，可以減少無源元件（電感器和電容器）并構建更輕、更小的系統。與空間有關的注意事項是什么？

Lidow：衛星成本的最大驅動因素是重量。在電力系統中，重量與效率成正比。系統效率越高，系統越小，所需的熱管理就越少。GaN 晶體管的效率遠高于 Si MOSFET。它們還支持更高頻率的設計，從而減小無源元件的尺寸，從而減輕系統的重量。GaN 器件的熱效率也更高，因此它們不僅產生的熱量更少，而且還需要更小的熱管理系統來進行冷卻。

效率、挑戰和配置

PEN：與硅相比，GaN 的效率有哪些？

Lidow：將抗輻射 (rad-hard) GaN 晶體管與抗輻射 Si MOSFET 進行比較，可以看出這兩種技術之間的巨大性能差距。讓我們選擇一個具體的例子，FBG20N18 GaN FET 與 IRHNA67260。兩者都是具有大約相同 R DS(on) 的200-V 晶體管，但是，GaN 器件：

是尺寸和重量的 1/10

具有開關所需電容的 1/40

具有零反向恢復

更耐輻射

價格是硅 MOSFET 的一半

PEN：你能舉出一些實施解決方案的例子嗎？

Lidow：當今空間軌道系統的兩個例子是 DC/DC 轉換器，例如上面討論的那個，以及反作用輪電機驅動器（見圖 2）。反作用輪使衛星保持穩定的方向，如今有數千顆這樣的衛星使用 EPC Space 的 FBS-GAM02 混合模塊在軌道上運行。這些模塊包括一個帶有驅動和電平轉換電子設備的半橋電路，可以節省空間并且抗輻射。太空中也有許多 LiDAR 系統使用 GaN 器件，其原因與自動駕駛汽車使用 GaN 的原因相同：它可以產生驅動激光器的高電流和極窄脈沖。這些高電流和窄脈沖意味著 LiDAR 系統可以看得更遠，分辨率更高。GaN 器件的抗輻射性降低了任何屏蔽要求。

PEN：太空供電有哪些問題？消費者有什么問題要問你，GaN 如何改進以提供最好的產品？

Lidow：今天，抗輻射 GaN 晶體管可用于替代大多數抗輻射 Si MOSFET。客戶對性能、可靠性，尤其是低成本感到非常滿意——大約是抗輻射硅 MOSFET 成本的一半。我們收到了很多要求將我們的抗輻射產品線擴展到集成電路，以便可以將相同程度的抗輻射擴展到系統的其余部分。我們已經通過 EPC Space GAM 系列提供了 GaN 驅動模塊，并將在今年第四季度推出一系列用于 GaN 晶體管的 GaN IC 驅動器。將來，我們還將提供像商用 EPC2152 那樣的抗輻射單片功率級。除了功率級之外，我們還計劃將我們的產品發展成完整的片上系統，這將是抗輻射的。

PEN：GaN 功率晶體管是空間功率轉換應用的理想選擇。當暴露于各種形式的輻射時，它們比抗輻射 MOSFET 更堅固。GaN的電學和熱學性能在太空環境中也表現出卓越的運行性能。實現空間的廣泛采用面臨哪些挑戰？您認為未來擴張的重要機會在哪里？

麗都：與抗輻射 GaN 器件相比，抗輻射硅 MOSFET 的性能更低、更大、更弱且更昂貴。他們的交貨時間也非常長。今天，我們充斥著大量的業務，并沒有看到任何剩余的采用障礙。最具挑戰性的是將第一批零件送入太空。衛星設計師天生保守，因此不愿嘗試新事物。GaN 的優勢如此引人注目，以至于我們能夠說服衛星設計人員從大約五年前開始推出產品。今天，從低地球軌道 (LEO) 到地球同步赤道軌道 (GEO) 的軌道上有超過 50,000 個組件，GEO 在可靠性和輻射耐受性方面的要求最高。建立傳統后，設計人員很快就開始使用我們的 GaN 產品。最大的機會將來自 GaN 功率 IC。我們可以在幾個 GaN 芯片上集成電機驅動器和電源——所有這些芯片都非常抗輻射。從今年第四季度開始尋找這些 IC。

可以使用 GaN 的關鍵領域是射頻和功率轉換。由于其小巧的外形和出色的效率，電源設計人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅晶體管。與具有更高熱管理需求的硅器件相比，GaN 晶體管浪費更少的功率并具有更高的熱導率。新的功率器件本質上也是抗輻射的，可以在高達 600?C 的溫度下運行。由于太空任務所需的電壓低于典型的交流線路電壓，因此最好使用 200-V 和偶爾 300-V 的設備。在該范圍內，GaN 的性能僅優于碳化硅，使其成為首選。氮化鎵作為橫向器件，將來也將更容易加入。

審核編輯 黃昊宇