【氮化镓】GaN器件在航天器高可靠正向转换器中应用

文章是发表在《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》2022年10月第10卷第5期上的一篇关于GaN（氮化镓）器件在航天器高可靠性正向转换器中应用的研究。文章的作者是匹兹堡大学电气与计算机工程系的Aidan Phillips, Thomas Cook和Brandon M. Grainger,以及 霍尼韦尔航空航天公司的Brian West。

摘要

文章首先指出GaN器件在太空级功率转换应用中的潜力，尤其是在依赖MOSFET技术的领域。尽管GaN器件的数量不多，但当前市场上的太空级GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）仍然可以显著提高效率和功率密度。文章通过设计、实现并对比两种75-W的太空级正向转换器（一种使用GaN HEMTs，另一种使用传统的硅基MOSFETs），量化了GaN HEMTs相对于硅基器件的性能优势。

第一部分：引言

引言部分讨论了GaN在功率转换领域的兴起，以及其在商业设备和学术研究中的增长。GaN相比硅器件具有更快的上升速率、更低的导通电阻和更小的芯片尺寸，这些特性直接影响电源系统的效率和功率密度。文章还提到了GaN在抗辐射方面的固有效力，以及其在太空级系统中的特别关注点。

GaN技术的兴起

作者首先指出，GaN基FETs（场效应晶体管）在功率转换领域的应用正迅速增长，这得益于其在商业设备和学术研究中的广泛可用性。GaN技术的优势在于其能够提供比传统硅基器件更快的切换速率、更低的导通电阻以及更小的芯片尺寸。这些特性对于提高电源系统的效率和功率密度至关重要。

GaN的优势

GaN的宽带隙结构为其带来了在高温、高压和高频应用中的固有优势。在太空级应用中，这些特性尤为重要，因为太空环境对电子设备的性能和可靠性提出了极端的要求。GaN器件的高温耐受能力和快速响应特性使其成为太空级功率转换应用的理想选择。

太空级应用的挑战

尽管GaN技术具有诸多优势，但其在太空级应用中仍面临一些挑战。太空环境中的高能粒子和辐射会对电子器件造成损害，因此需要对器件进行特殊的辐射加固处理。这些加固技术虽然能够提高器件的辐射耐受性，但同时也可能降低其性能。因此，如何在提高辐射耐受性的同时保持高性能，是太空级应用中的一个重要课题。

GaN的辐射耐受性

文章特别强调了GaN在抗辐射方面的潜力。GaN的宽带隙结构使其在抵御总离子剂量（TID）辐射方面表现出色。此外，GaN器件在单粒子效应（SEEs）方面的敏感性较低，这在太空应用中尤为重要。然而，GaN器件在辐射环境下的行为仍需进一步研究，以确保其在太空任务中的可靠性。

GaN技术的发展阶段

作者指出，尽管GaN技术在功率转换领域具有巨大潜力，但其在太空资格认证方面仍处于初期阶段。GaN FETs的故障模式和分类仍在研究之中，这对于理解GaN器件在太空环境中的行为至关重要。此外，GaN FETs的操作原理和物理结构与硅基MOSFETs有显著不同，这要求对现有的辐射加固测试方法进行调整。

研究目的和方法

文章的引言部分明确了研究的目的，即量化市场上可获得的太空级GaN器件在常见直流-直流功率处理场景中的实用性。作者提出了一个关键问题：如果这些组件满足辐射加固标准，GaN能为我们带来多少额外的性能提升？为了回答这个问题，文章通过设计和测试两种75-W的太空级正向转换器（一种使用GaN HEMTs，另一种使用硅基MOSFETs），对GaN和硅基器件的性能进行了直接比较。

研究的重要性

引言部分还强调了这项研究的重要性。随着太空任务对功率转换效率和可靠性的要求不断提高，GaN技术的发展为满足这些要求提供了新的可能性。通过深入研究GaN器件在太空级应用中的性能，可以为未来的太空任务提供更高效、更可靠的功率转换解决方案。

第二部分：实验设计和其他定义

文章定义了用于评估GaN在太空应用中当前状态的基线测量，即代表硬化硅MOSFETs的类别。作者强调了为了公平比较，需要设计两个主要设计变化仅为功率开关的转换器。

实验目的

实验的目的是为了评估GaN技术在太空级功率转换应用中的当前状态，并与现有的硅基技术进行比较。具体来说，实验旨在通过构建两个主要设计变化仅为功率开关的转换器，来量化GaN HEMTs相对于硅基MOSFETs的性能提升。这一比较将基于效率、功率密度和对输入电压变化的敏感性等关键指标。

实验设计原则

作者强调了实验设计中的关键原则，即公平性和准确性。为了实现这一点，实验中设计了两个转换器，它们在除了功率开关之外的其他方面尽可能相似。这种设计方法允许研究人员将任何性能差异明确地归因于所使用的功率开关技术的不同。

实验组件和方法的定义

文章详细定义了实验中使用的组件和方法，包括“COTS设备”（商用现成设备）、“Rad-hard设备”（辐射硬化设备）、“Error bounding COTS”（用于界定可用设备的误差范围的COTS设备），以及“Matched optimal FET”（与辐射硬化设备性能相当的商用FET）。这些定义有助于读者理解实验的背景和所采用的方法。

实验的基线测量

实验的基线测量代表了硬化硅MOSFETs的类别，这是通过构建一个使用GaN技术的转换器并将其结果与现有转换器进行比较来实现的。这种比较可以揭示GaN技术在太空应用中的潜在优势。

实验的挑战和限制

文章还讨论了实验设计中的挑战和限制，特别是在匹配硅基和GaN基转换器的组件时。由于硅基和GaN基器件在电气特性和物理结构上的差异，实现完美的匹配是非常困难的。作者提出了一种方法来界定这种