自从硅问世以来，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体已被证明是电力电子领域最有希望的材料。与传统的基于硅的技术相比，这些材料具有多个优势，例如管理高功率电平的能力，对辐射的不敏感性，在高温和开关频率下运行的能力，低噪声，低功耗和高效率。因此，WBG半导体对于下一代太空出生的系统的发展具有战略重要性。增强模式版本（eGaN）中的氮化镓被广泛用于太空应用的FET和HEMT的开发中。

辐射对功率设备的影响

空间环境具有特殊的条件，可能会影响并且在某些情况下会降低空基材料的机械特性，因此会对结构运行的总体行为产生负面影响。

空间辐射流主要由85％的质子和15％的重核组成。辐射的影响可能导致设备性能下降，中断和不连续。符合空间要求的组件的主要要求是能够确保可靠的长期运行。

抗辐射设计从零开始确定电子组件的设计要求，以承受辐射的影响。它可能是最昂贵，最耗时的方法之一，但是有时它是电子组件的唯一解决方案，对于保护人类生命或维护重要的太空轨道飞行至关重要。

在太空出生的应用中使用的电子组件主要受到由地球磁场中捕获的电子和质子引起的空间辐射（其作用称为SEE，简称单事件效应）的影响。空间辐射的另一个重要影响是总电离剂量（TID）。这两个概念之间的区别非常简单：SEE是撞击到设备的单个高能粒子产生的结果，而TID则是测量长时间暴露在电离辐射下产生的效应。 TID暴露量以rads（辐射吸收剂量）为单位，以rads表示材料对辐射的总暴露量。

对于给定的特定设备，总剂量辐射阈值是将导致设备故障的最小rad水平。在发生功能故障之前，大多数经过辐射加固的商用设备最多可承受5 krads。 SEE指标在卫星和航天器等应用中尤为重要。这些系统在运行环境中存在的高质子和离子密度会在电子电路中引起一系列不同的SEE，包括单事件翻转（SEU），单事件瞬变（SET），单事件功能中断（SEFI），单事件门破裂（SEGR）和单事件倦怠（SEB）。 SEE事件可能会导致系统性能下降，甚至造成彻底破坏。因此，为了确保高度的可靠性，必须选择已经测量并声明了由辐射产生的影响的组件。

WBG在太空系统中的优势

减轻重量和尺寸，以及高效率和可靠性，是用于航天器的每个组件的基本要求。 GaN功率器件以当今最小的占地面积提供了最高的效率。砷化镓在电磁兼容性（EMI）方面也具有出色的特性：降低的寄生电容可降低开关周期内存储和释放的能量，而减小的占位面积则可改善环路电感，特别是在用作收发器天线时会产生隐患。在太空任务，高空飞行或战略军事应用等关键应用中使用的功率设备必须能够抵抗电离辐射引起的故障和故障。商用GaN功率器件提供的性能要比基于硅技术的传统Rad Hard器件高得多。这样就可以实现创新的架构，并将其应用于卫星，数据传输，无人机，机器人和航天器上。

增强型GaN HEMT

Rad Hard MOSFET达到了最新技术的极限，具有较大的裸片尺寸和性能因数（FoM），其计算公式为FoM = RDS（ON）* Ciss，远高于增强模式。 GaN晶体管。品质因数是一个非常重要的参数，因为其值越小，系统的效率越好。增强型GaN HEMT的驱动电荷也比最佳的Rad Hard MOSFET少10至40倍，因此驱动起来也更容易。物理尺寸也有利于GaN器件，该器件可以直接安装在陶瓷衬底上，而无需任何外部封装。因此可以消除引线键合和相关的电感，从而达到很高的开关速率。 eGaN的开关速度仅取决于栅极和漏极节点的电阻和电容。切换时间很容易达到亚纳秒级，因此在使用这些高性能器件时，应特别注意开发的设计阶段和PCB布局阶段。

辐射硬化GaN解决方案

领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子（Renesas Electronics）已开发出业界首个经过辐射硬化的100V和200V GaN FET电源解决方案，适用于在太空出生的系统中启用初级和次级DC / DC转换器电源。这些GaN FET的特征在于具有破坏性的单事件效应（SEE），并经过了总电离剂量（TID）辐射测试。 ISL7023SEH 100V，60A GaN FET和ISL70024SEH 200V，7.5A GaN FET的性能比硅MOSFET高出10个数量级，同时将封装尺寸减小了50％。它们还减轻了电源的重量，并以较低的开关功率损耗实现了更高的电源效率。 ISL70023SEH在5mΩRDS（ON）和14nC（QG）时，可实现业界最佳的品质因数（FOM）。图1显示了非常低的RDS（ON）。

图1：ISL7023SEH GaN功率晶体管的RDS（ON）

VPT，Inc.提供SGRB系列DC-DC转换器，专门为太空应用的恶劣辐射环境而设计。 SGRB系列基于先进的GaN技术，可提供高效率，从而减小了系统尺寸，重量和成本。

GaN技术的效率高达95％，与传统的辐射硬化硅产品相比，效率更高。它是专为必须高效，低噪声和辐射容忍的星载电信而设计的（图2）。

Freebird Semiconductor提供了多种集成到GaN适配器模块（GAM）中的高可靠性GaN HEMT分立器件，从而创造了多功能电源模块系列中的专利电路。这些通用GaN适配器模块（图3）将eGaN®开关电源HEMT与基于GaN的高速栅极驱动电路结合在一起，用于商业卫星太空环境中的最终用途设计。

图2：SGRB系列DC-DC转换器

图3：Freebird的GaN适配器模块

防辐射FBS-GAM01-P-C50单路低侧功率开发驱动器模块集成了GaN®开关功率HEMT。这些器件与Freebird Semiconductors FDA10N30X输出功率eGaN®HEMT开关，输出钳位肖特基二极管集成在一起，并由完全由eGaN®开关元件组成的高速栅极驱动电路进行了最佳驱动。创新的，节省空间的9引脚SMT过模制环氧树脂封装中还包含+ 5V输入VBIAS过压钳位保护以及VBIAS欠压驱动器禁用和报告功能，可为FBS提供出色的工程黄铜开发平台-GAM01-P-R50飞行机组版本。

结论

在当今的航空航天环境中，电子主题正变得越来越普遍。工程师们正在开发越来越多的开发系统，例如航天器和卫星。可靠，连续的电源对于太空任务的成功至关重要。

在实际应用中，切换到由SiC或GaN制成的宽带半导体的主要优势是功率转换效率的提高。

宽带半导体在高温下运行的能力也会产生重大后果。它们不仅可以在较高热量的情况下使用，而且宽带半导体所需的整体冷却较少，从而减小了功率转换器中冷却组件的空间和成本。

本文编译自powerelectronicsnews。