航空航天領(lǐng)域中的GaN功率器件（上）

在中國深空探索及載人航天任務(wù)逐漸增多的背景下，對電能的需求也隨之上升，從而推動了對宇航電源的高效率與小型化的設(shè)計需求。宇航電源是航天器系統(tǒng)的心臟，既要為電推進系統(tǒng)和激光武器等高功率負載供電，也要增強對科學(xué)試驗平臺、地球觀測以及全球通信系統(tǒng)的供電能力。采用功率密度低的電源系統(tǒng)，會導(dǎo)致體積和重量的增加，減少航天器的有效載荷，并增大發(fā)射成本及維持在軌運行的難度。

目前，宇航電源的研究正朝向使用高頻化設(shè)計的方向演進，頻率高達1MHz的電源可以顯著減小無源器件的體積和重量，從而減少宇航電源中磁性器件所占的體積和重量比例（從之前的20%～30%降低）。然而，傳統(tǒng)宇航電源由于硅基MOS管的性能接近其極限，其開關(guān)頻率僅限于100kHz至200kHz，這限制了高頻宇航電源的進一步發(fā)展。

因此，當(dāng)前的研究方向正逐步轉(zhuǎn)向以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這兩種寬禁帶半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的功率器件。相比之下，SiC更適用于高電壓、超高功率和高溫環(huán)境，而GaN更適合于1MHz以上開關(guān)頻率的宇航電源應(yīng)用。

GaN 功率器件現(xiàn)狀

氮化鎵（GaN）功率器件作為第三代半導(dǎo)體材料，在結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)方面有顯著優(yōu)勢。隨著科技的發(fā)展，這一器件越來越受到研究和實際應(yīng)用的重視。

氮化鎵與高摻雜的氮化鋁鎵（AlGaN）形成的異質(zhì)結(jié)，在界面處產(chǎn)生的高濃度二維電子氣（2DEG）使電子遷移率極高，達到了2000cm2/(Vs)。這一特性顯著降低了器件的導(dǎo)通阻抗，進而減小了導(dǎo)電損耗，從而提升器件的整體性能。以EPC公司和英飛凌兩家企業(yè)的產(chǎn)品為例，EPC的氮化鎵（GaN）功率器件與英飛凌的硅MOS管在柵極電荷（QG）和結(jié)電容（CRSS）等方面具有更低的參數(shù)，說明GaN器件在關(guān)斷階段的儲能更少，導(dǎo)通阻抗（RDS）更小，這對于提升開關(guān)頻率和開關(guān)效率至關(guān)重要。

氮化鎵（GaN）相較于硅MOSFET，并擁有更大的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更強的擊穿場強和更快的電子飽和漂移速度等優(yōu)點。這些特性使GaN器件在工作時更加穩(wěn)定，能夠承受更大的電壓壓力和極高的電壓變化率，開關(guān)頻率也遠超其他類型的功率器件。

全球已有多家公司投入氮化鎵（GaN）功率器件的研發(fā)，并已應(yīng)用于宇航領(lǐng)域。盡管Panasonic、EPC、Renesas、Freebird、Infineon 和被其收購的GaN Systems等少數(shù)公司能生產(chǎn)出適合宇航應(yīng)用的器件，但中國在這一領(lǐng)域的起步較晚。盡管如此，一些國有企業(yè)和研究機構(gòu)在寬禁帶半導(dǎo)體研究上已取得初步成果，英諾賽科等企業(yè)開發(fā)的30V至650V的GaN功率器件已適應(yīng)多種民用場景。特別是其在40V以下的低壓GaN功率器件研究上，15V的InnoGaN在10MHz頻率下能達到超過90%的效率表現(xiàn)，領(lǐng)先全球。而針對宇航電源使用的抗輻照GaN功率器件，中國的相關(guān)產(chǎn)品仍在研發(fā)階段。

宇航電源中的GaN

在深空探測等領(lǐng)域，開發(fā)超過50千瓦的高功率電推進技術(shù)逐漸受到重視，美國航空和航天局（NASA）計劃在2030-2040年期間推動200-500千瓦的霍爾電推進技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。在全球通信覆蓋的基礎(chǔ)上，由于大量中低軌道衛(wèi)星對空間軌道的影響，衛(wèi)星載重的功率提升和高效率射頻電源技術(shù)變得尤為重要。21世紀(jì)初，美國國防高級研究計劃局（DARPA）率先開始研究如何將氮化鎵（GaN）功率器件應(yīng)用于射頻電源。由于GaN功率器件出色的性能，預(yù)計將對新一代航空全功率電源的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。

電推進系統(tǒng)電源

電推進系統(tǒng)的電源處理單元（PPU）是其關(guān)鍵組成部件之一，主要職能是將飛行器的一級電源轉(zhuǎn)換為推進工作所需的各種電源。離子電推進PPU和推力器的特殊格柵結(jié)構(gòu)以及高壓電源的配合，使得其效率和比沖突破了以往的上限，美國的黎明號和其他深空探測器采用的NSTAR以及NEXT-40等都是離子電推進PPU?；魻栯娡七MPPU結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，是商用航天領(lǐng)域和歐洲SPT-100主要選擇的推進電源技術(shù)。提高PPU功率的關(guān)鍵在于DC/DC變換器的設(shè)計，以及高效率的電路拓撲和新型半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用。

為了超越傳統(tǒng)電推進器輸出電壓的限制，并滿足全電推進飛行器對高壓電源的需求，歐空局采用了雙向有源橋（DAB）的拓撲結(jié)構(gòu)，并在副邊全橋整流拓撲中應(yīng)用了四個650伏的高壓GaN功率器件；與現(xiàn)有技術(shù)的PPU相比，GaN功率器件的卓越性能導(dǎo)致其功率密度增加了約70%，在5千瓦的大功率場景下，其轉(zhuǎn)換效率能達到96%，同時對成本的壓降也十分明顯。

1.希臘的SITAEL Hellas公司對現(xiàn)有的PPU進行了增強型氮化鎵(eGaN)功率器件的開關(guān)元件替代研究，經(jīng)過優(yōu)化后的PPU比原來的重量輕了約8%、體積縮小了約10%、效率提高了2%-3%，這些進步推動了eGaN功率器件在低地軌道300瓦以下的PPU中的應(yīng)用。

2.在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與多家研究機構(gòu)合作，將GaN功率器件應(yīng)用于電流驅(qū)動移相全橋（CD-PSFB）電路，設(shè)計的電源效率得到了進一步提升，峰值效率可達92.3%，盡管試驗樣機的電壓和功率相對較低，但也驗證了GaN功率器件是優(yōu)化霍爾PPU的最佳選擇。

射頻電源

1.作為低軌通信衛(wèi)星電推進單元的核心技術(shù)，高效率、小體積的射頻電源具有廣闊的發(fā)展前景。電子科技大學(xué)的劉順林教授將GaN功率器件應(yīng)用于大容量射頻電源系統(tǒng)，采用三路功率合成方法以及通孔的電路散熱設(shè)計，最終研發(fā)的射頻電源系統(tǒng)工作頻率可達13.56 Mhz，輸出功率為968 瓦，效率可達88%以上。

2.尼爾馬大學(xué)針對母線電壓為70V、負載需求為7V的航天器，在LLC電路內(nèi)采用eGaN功率器件作為主開關(guān)和同步整流管，設(shè)計了一款工作頻率為400-500 kHz，功率為50瓦的DC/DC變換器；與現(xiàn)有的硅MOS相比，電源效率可以提高8%，最高能達到94.8%。

3.匹茲堡大學(xué)提出了一種在固定開關(guān)頻率下，采用Buck或Boost與LLC級聯(lián)式電路拓撲設(shè)計的DC/DC變換器，適用于雷達、通信系統(tǒng)或小型衛(wèi)星上其他設(shè)施的負載。這個系統(tǒng)采用GaN功率器件，實現(xiàn)了快速、可擴展的特性，且在5瓦至100瓦的整個負載范圍內(nèi)效率均能達到95%以上，可以滿足多樣化的負載需求。

這些就是GaN器件在航空航天領(lǐng)域中的概況，下一篇為讓大家?guī)砗娇针娫?span style="color:rgb(0,0,0);">應(yīng)用在目前的狀況下面臨的挑戰(zhàn)和其中對應(yīng)GaN器件的挑戰(zhàn)。