基于GaN的耐辐射DC/DC转换器可提高关键应用的效率

近年来，通过在空间系统中使用以前未知的技术，空间市场已转向更高效的电源解决方案。由于太空硬件会受到极端环境条件的影响，包括电离辐射，因此需要抗辐射组件。耐辐射功率MOSFET已经问世好几年了，但它们为了获得高耐辐射性而牺牲了电气性能。因此，空间级电源的转换效率远低于商用电源。氮化镓(GaN) 是一种宽带隙半导体，具有比硅更高的功率转换效率和本征辐射保护，已成为最新的创新之一。除了显着提高各种拓扑和功率级别的商用 DC/DC 转换器的效率外，基于 GaN 的 FET 还表现出对伽马辐射和单事件效应 (SEE) 的非凡弹性。所有这些特性使 GaN FET 非常适合用于卫星和运载火箭的电源。

CAES（前身为 Cobham Advanced Electronic Solutions）推出了业界首款用于高吞吐量卫星有效载荷的基于 GaN 的单级隔离式 DC/DC 转换器。新的 SCD51028XXX 产品系列提供市场上最高效的电源转换模块，允许可重新编程和软件定义的有效载荷。

CAES 通过其革命性的 GaN 单级隔离转换器将总线功率直接转换到负载点 (POL)，而不是利用多个级来实现负载点所需的较低电压。与通常达到约 80% 整体效率的两级转换器不同，CAES 的单级转换器可以使用 GaN 技术在满载和 50% 负载下提供更好的效率。

更高的效率对于新的卫星产品尤为重要，这对卫星的热设计以及电池电量、太阳能电池阵列和提供低功耗解决方案所需的其他设备的数量都有影响。

“我们对这项创新将实现更小的系统感到非常兴奋。” “我们的设备只有 3 英寸宽 x 2 英寸长，因此它甚至可以安装在最小的 LEO 卫星中，而且我们将能够实现比过去更高的功率转换效率，”Dave Young 解释说。

图 2 描绘了 DC/DC 转换器的功能框图，它是一种专为抗辐射而设计的隔离式降压稳压器。对于 LEO 星座和更大的卫星来说，它都是一种具有成本效益的解决方案，可实现不同需求位置所需的低功率转换。

图2：CAES 51028XXX系列功能框图

氮化镓的性能优于硅，不仅因为它具有快速开关频率和低 RDS(ON)，还因为它本质上是抗辐射的，这意味着它可以承受外太空等辐射环境。

“尽管太空业务相当谨慎，但 GaN 的辐射硬度使我们能够在太空中使用它。” “我们可以使我们的转换器以更高的频率开关，缩小磁性元件、RDS(ON) 和占位面积，并提高芯片效率，”CAES 的电源系统首席架构师 Dan Gonzalez 说。

因为GaN在航天领域是一种比较新的材料，所以元件级筛选已经相当彻底。CAES 工程师必须通过执行额外的寿命测试和老化鉴定测试来证明该设备可以满足空间限制。MIL-PRF-38534 标准用于大多数这些测试（K 类和 H 类），适用于多芯片模块和系统，例如电源模块或 DC/DC 转换器。

今天，许多卫星和空间系统都基于 28V 总线电压。然而，CAES 也在向更高的电压（例如 100V）推进和发展，以解决来自航天工业的日益增长的需求。
“目前，有很多负载点和系统是使用 28V 总线电压开发的。因此，28V 是我们基于 GaN 的转换器所针对的第一个输入电压”，Dan Gonzalez 说。
DC/DC 转换器既可用于单一操作，也可用于具有共享控制级别的并联操作。由于这些是相对高电流的模块（它们可以在较低电压下提供高达 50A 的电流），因此工程师在模块并联时应非常注意布局。并联模块和负载之间非常小的阻抗差异实际上可能代表相当多的下降。

如图 2 所示，转换器实现了远程感应功能，这意味着它能够在低于标准输出的电压下调节输出。其他功能包括一个可配置的软启动，它允许您通过添加一个外部电容器来设置比默认值 (2ms) 更长的上升时间，以及一个用于处理外部同步信号的专用输入引脚。当两个转换器使用同步引脚同步时，它们将同相或异相 180° 运行。内置保护功能可确保设备的安全性，包括输入过压和欠压关断、过流和短路保护。

新转换器不会造成任何热管理问题，因为转换器中散发的所有热量都可以通过器件的引线排出。作为大电流模块，PCB 走线具有高含量的铜以减少 IR-Drop，但这也允许热量散布。

“我们的热分析和测量表明，从转换器的最热点到最冷点（这将是设备的引线）只有 2-3°C 的差异”，Dan Gonzalez 说。

虽然基于 CAES GaN 的 DC/DC 转换器适用于 LEO 和 GEO 轨道，但它们的设计目的是尽可能降低成本，使其对 LEO 星座更具吸引力，因为有计划放置大量廉价卫星在上面。

“客户总是希望设备尺寸更小、效率更高、成本更低。我们认为该设备在所有三个方面都达到了这一目标。我们将继续在其他功率转换应用中推广和推进 GaN FET，不仅包括隔离式 DC/DC 转换器，还包括降压转换器、电机驱动器、功率控制器和总线控制器。我们的路线图是包括所有这些项目，以及不同的电压水平”，Dan Gonzalez 说。


审核编辑：刘清