GaN 和 SiC 功率器件為軍用/航空系統(tǒng)帶來巨大優(yōu)勢

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，《電力電子新聞》主編

軍事和航空航天平臺對更高功率密度和改進冷卻的日益增長的需求正在將基于硅的電力電子系統(tǒng)推向其運行極限。寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料——碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)——提供了新一代寬帶功率器件，在這些應(yīng)用中與硅基對應(yīng)物相比具有巨大優(yōu)勢。

WBG 電源模塊提供的特性和功能比硅同類產(chǎn)品高出幾個數(shù)量級，包括 10 倍的電壓阻斷能力、10 倍至 100 倍的開關(guān)速度能力以及十分之一的能量損失。它們還具有固有的抗輻射（rad-hard）特性，并提供高達 600°C 的理論結(jié)溫運行。除了降低冷卻要求外，該技術(shù)還可以為電力系統(tǒng)提供比當(dāng)前基于硅的設(shè)備高出 10 倍的功率密度。

碳化硅承諾為航空航天業(yè)提供更輕的組件，以降低燃料消耗和排放。這種材料有助于在更小、更輕的設(shè)備中針對給定的電壓和電流額定值實現(xiàn)更高的開關(guān)和更高的功率密度。

GaN 與硅一樣，可用于制造二極管和晶體管等半導(dǎo)體器件。電源設(shè)計人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅，因為它具有小尺寸和高效率。與具有更高熱管理要求的硅器件相比，GaN 晶體管還消耗更少的功率并提供更高的熱導(dǎo)率。

在這種情況下，65V GaN 技術(shù)正在觸發(fā)新一代雷達系統(tǒng)，這些雷達系統(tǒng)也為一系列商業(yè)應(yīng)用開辟了機會。

作為橫向擴散 MOSFET (LDMOS) 組件的替代品或替代品，GaN 組件在雷達系統(tǒng)設(shè)計中的使用正在迅速增長。LDMOS晶體管具有更高的C GS /C DS電容，這將限制帶寬，與具有低得多的寄生電容的GaN晶體管相比，這使得在相同功率水平下更容易進行寬帶匹配。

用于航空航天的 SiC與過去幾十年相比，航空工業(yè)最近經(jīng)歷了快速增長。新的航空航天世界在用于電源和電機控制應(yīng)用的 SiC 器件中找到了新的電源管理解決方案。碳化硅有望在航空工業(yè)中使用重量輕的組件來減少燃料消耗和排放，而碳化硅 MOSFET 在更高工作溫度下的穩(wěn)定運行也引起了研究人員對高功率密度功率轉(zhuǎn)換器的興趣。

然而，使用 SiC 器件的電力電子和電機驅(qū)動電路的關(guān)鍵設(shè)計問題之一是柵極驅(qū)動調(diào)節(jié)電路的管理。管理門控時序是一項嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新的 1,200-V SiC MOSFET 在高溝道遷移率、氧化物壽命和閾值電壓穩(wěn)定性方面達到了出色的質(zhì)量水平，以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

Solid State Devices 推出 SFC35N120 1,200-V SiC 功率 MOSFET，用于高可靠性航空航天和國防電力電子應(yīng)用，如高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器。

這些 N 溝道 MOSFET 在 20 A 和 25°C 下提供 26 A 至 30 A 的最大連續(xù)漏極電流和最大 96 μΩ 的低 R DS(ON)。該器件在 150°C 時的最大點火電阻為 190 mΩ，還具有高溫性能，允許使用更小的器件，便于并行配置，并減少風(fēng)扇和散熱器等熱管理硬件。

另一種解決方案是 1,200-V CAS325M12HM2 SiC 電源模塊，配置為 SiC 半橋拓?fù)?，來?Cree 公司 Wolfspeed。它代表了采用高性能 62 毫米封裝的新一代全 SiC 功率模塊。該模塊使用 1,200-V C2M SiC MOSFET 和 1,200-V 肖特基二極管（圖 2）。

圖 2：CAS325M12HM2 SiC 電源模塊（圖片：Wolfspeed）

GaN at 65 V雷達系統(tǒng)主要用于軍事和國防目的，也廣泛用于汽車領(lǐng)域。最常見的軍用雷達市場是超高頻 (UHF) 雷達、有源電子掃描陣列 (AESA) 雷達、敵我識別 (IFF) 和距離測量設(shè)備 (DME)。這些市場需要成百上千瓦的功率放大。

功率放大等技術(shù)進步正在推動輕量級解決方案的發(fā)展。這些應(yīng)用中使用的主要技術(shù)是 HEMT GaN，因為它具有卓越的性能。

由于其在 L 波段及更高波段以及最近的 UHF 波段的高增益和高功率水平，GaN 在許多應(yīng)用中迅速獲得了青睞。SiC 襯底上的 GaN HEMT 晶體管可提供出色的散熱性能以實現(xiàn)長期可靠性。GaN-on-SiC 非常適合高功率脈沖應(yīng)用，其功率密度可實現(xiàn)出色的冷卻管理。出于各種原因，當(dāng)今的雷達越來越多地使用 GaN-on-SiC 射頻晶體管技術(shù)。這些包括增加的功率、高效率、更高的穩(wěn)健性、更低的功耗、更小的尺寸、頻率可用性、更高的通道溫度和更長的壽命。

在空間應(yīng)用中，GaN-on-SiC 的可行性最近有所提高，特別是在 GaN 效率與更高頻率工作相輔相成的應(yīng)用中。GaN 毫米波 (mmWave) 的功率密度帶來了一套新的設(shè)計技術(shù)，可用于實現(xiàn)更高水平的熱補償。

Qorvo Inc. 提供各種額定功率的晶體管，以更小、更可靠的外形尺寸實現(xiàn)高功率千瓦級放大。例如，65V GaN-on-SiC 實現(xiàn)了小尺寸、更低的運營成本和更低的射頻前端復(fù)雜性。

Qorvo QPD1013 是一款 150W (P3dB) 分立式 GaN-on-SiC HEMT，工作頻率范圍為直流至 2.7 GHz。這是一款采用包覆成型塑料封裝的單級、無與倫比的功率放大器晶體管。QPD1013 的高功率和寬帶寬使其適用于許多不同的應(yīng)用（圖 3）。

圖 3：Qorvo QPD1013 的框圖（圖片：Qorvo）

與更傳統(tǒng)的解決方案相比，GaN 技術(shù)可以極大地改進最新一代的 AESA 雷達，旨在顯著提高檢測系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、性能和配置靈活性。例如，在后者中，無源電子掃描陣列 (PESA) 雷達，甚至是帶有伺服電機驅(qū)動天線的不太復(fù)雜的系統(tǒng)，都會受到磨損，并且隨著工作周期的增加，故障風(fēng)險也會增加。

WBG 半導(dǎo)體在下一代星載系統(tǒng)的開發(fā)中具有重要的戰(zhàn)略意義。GaN 的增強模式版本 (eGaN) 廣泛用于開發(fā)用于空間應(yīng)用的 FET 和 HEMT。

eGaN FET 可提供輻射耐受性、快速開關(guān)速度和更高的效率，從而實現(xiàn)更小、更輕的電源（更小的磁體和更小的散熱器尺寸，甚至在許多情況下無需散熱器）。電源設(shè)計人員可以選擇是增加頻率以允許使用更小的磁體，還是提高效率，甚至為兩者設(shè)計一個令人滿意的平衡點。

eGaN FET 比等效的 MOSFET 小。它們提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)，這也可以減小電容器尺寸。

用于空間任務(wù)、高空飛行或戰(zhàn)略軍事應(yīng)用等關(guān)鍵應(yīng)用的電源設(shè)備必須能夠抵抗由電離輻射引起的故障和故障。與基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)抗輻射器件相比，商用 GaN 功率器件的性能顯著提高。

審核編輯 黃昊宇