航空航天領域中的GaN功率器件（下）

氮化鎵(GaN)功率器件可以提高航天電源的效率和功率密度，但要在航天電源廣泛使用，我們需要解決一些特定的挑戰(zhàn)。

1.航天電源的應用挑戰(zhàn)

高頻電源集成

由于航天載荷的體積和重量限制，電源的高頻集成成為了一個挑戰(zhàn)。針對這一問題，利用薄膜磁微電感技術(shù)，可緩解高頻損耗；采用硅通孔(TSV)技術(shù)和封裝技術(shù)，可實現(xiàn)器件在同一硅基片上的集成。部分研究機構(gòu)還開發(fā)了全芯片上集成的諧振式升壓DC/DC變換器，降低了電源尺寸和寄生損耗。

通過在垂直方向進一步發(fā)展電源，實現(xiàn)器件以及晶體管級的電子組件的集成，可顯著提升面積密度和降低信號延遲。

散熱問題

對于集成電源模塊，由于器件在運行時產(chǎn)生大量熱量，我們需要及時將這些熱量擴散開，以確保源的可靠性。目前解決航空電源散熱問題的方法包括改進器件本身、優(yōu)化封裝方式、采用高導熱材料以及設計良好的散熱通道等。

但是航天環(huán)境的特殊性使得航天電源的散熱更具挑戰(zhàn)性。例如，微重力環(huán)境下不會產(chǎn)生自然對流，設備在艙外真空環(huán)境中也無法通過對流進行換熱。因此，研發(fā)和使用壽命將會受到熱量積累的影響。

基于上述問題，研究員發(fā)現(xiàn)使用金剛石作為GaN功率器件襯底的理想材料，因為它具有最高的導熱率。然而，由于金剛石材料價格昂貴、直接鍵合技術(shù)難度大等問題，目前仍然采用SiC作為襯底。

2.器件級應用挑戰(zhàn)

高效、可靠驅(qū)動的研究

有許多研究為減少反向?qū)〒p耗而優(yōu)化了死區(qū)時間方法，包括固定死區(qū)時間法、死區(qū)時間自適應法和可重構(gòu)死區(qū)時間法。另一些研究提出了針對于壓降的優(yōu)化研究，提出一種三電平驅(qū)動方案。

但針對GaN的驅(qū)動研究仍面臨挑戰(zhàn)。例如，GaN功率器件因低閾值電壓，導致在高速開關(guān)過程中容易產(chǎn)生寄生參數(shù)振蕩。因此，許多公司已經(jīng)研發(fā)了集成驅(qū)動芯片。

輻照效應

由于航天器需要在高輻照環(huán)境下工作，所以對GaN的輻照效應研究也非常重要。實驗發(fā)現(xiàn)，一定程度上增大柵-漏極之間距離對于抵抗輻照能力具有明顯增強。

雖然當前GaN功率器件在航天電源的發(fā)展緩慢，且其效率明顯低于商業(yè)級產(chǎn)品，但已有許多研究團隊和公司正在針對單粒子敏感性問題攻關(guān)研究，以滿足未來航空電源應用需求。

GaN功率器件以其卓越的耐高壓、高頻率和高導熱特性，正催生著宇航電源實現(xiàn)微型化與輕量化的新方向。世界各地的科研機構(gòu)已經(jīng)開始探究這些器件在宇航電推進和射頻電源應用領域的潛力，發(fā)現(xiàn)它們能顯著提升各類宇航電源的效率和功率密度。

然而，由于宇航電源整體及其組件面臨的綜合挑戰(zhàn)，GaN功率器件的全面應用至今尚未達成。但是，隨著GaN功率器件輻照強化及驅(qū)動方式的創(chuàng)新改良，宇航電源將會得到更大助推。

結(jié)合高集成度電源設計，以及優(yōu)化的宇航電源散熱技術(shù)，都有助于實現(xiàn)電源從組件到系統(tǒng)的全方位突破。因此，基于GaN功率器件來研究高頻、高效和輕量化的宇航電源，將引導新一代宇航電源產(chǎn)品實現(xiàn)性能參數(shù)的巨大飛躍，并對未來宇航電源的工程應用價值產(chǎn)生深遠影響。