【经验】如何在小型卫星“新太空”应用中充分发挥GaN的优势？

“新太空”运动旨在为低地球轨道（LEO）任务采取更具成本效益的方法。过去，确保卫星有效载荷的可靠性是通过在单个系统中建立冗余来实现的，以保证给定系统可以持续10到20年。新太空方法是在系统层面实现冗余，在那里他们建造了许多卫星，期望当一颗卫星发生故障时，还有许多卫星能够取而代之。 LEO中卫星的预期寿命大约为三到五年，远低于地球静止轨道（GEO）卫星的10到20年要求。虽然与商业电子行业相比，传统的空间应用通常在技术上落后几代，但新太空运动允许制造商采用以前闻所未闻的新技术。氮化镓就是这样一种技术，由于之前缺乏驱动因素，它在电力电子领域的应用已经放缓。利用增强型氮化镓（GaN）FET的可用性，以及现在的耐辐射PWM控制器和GaN FET驱动器，可以在电源管理应用中实现GaN部署。由于GaN FET具有同类产品最佳的栅极电荷性能和更高的开关频率能力，因此这些产品的电路板空间节省和功率效率得到了显著改善。本文将讨论GaN FET的更高性能和GaN FET驱动器解决方案的细节。

图1 瑞萨为“新太空”应用带来GaN解决方案

GaN FET-用于为小型卫星供电的理想选择

GaN FET具有几个特性，使其在卫星电源中具有吸引力。在本文中，我们将探讨其物理属性（固有辐射容限和小裸片尺寸），电气特性（如无寄生p-n二极管，快速切换）和电源系统优势（提高效率和更小的总尺寸）。

与硅MOSFET相比，GaN FET不具有栅极氧化物层，因此，伽马辐射将不会像硅MOSFET那样在栅极氧化物层中形成陷阱（空穴）。 GaN FET在单事件效应（SEE）测试中也表现良好。

图2显示了GaN FET的结构。最下面是标准硅片。顶部添加GaN和其他材料，如图2所示。请注意，此GaN FET是横向器件；电流通过GaN二维电气平面是水平的（如图中“ - - ”所示）。

图2 EPC的GaN功率晶体管结构

GaN是一种宽带隙材料。与硅相比，理论上，漏极和源极之间的间隔可以小10倍。对于相同的R_DSON，通道的宽度可以更窄，部分原因是其长度短得多。虽然硅MOSFET非常接近其理论极限，但GaN FET仍有进一步改进的空间；另外，对于卫星应用，将标准生产的MOSFET转换为空间级MOSFET会导致性能下降，而不是GaN FET的固有能力，以满足空间应用要求。

图3 电阻VS击穿电压

GaN FET与硅MOSFET相比，较小的芯片尺寸可以改善开关电源应用的性能。输出电容和布局电感等寄生效应也会降低。这带来了开关损耗的降低，和/或具有相同损耗时可提供更高频率的操作。

GaN FET没有寄生p-n二极管。这很方便，因为没有反向恢复。反向恢复不仅导致更长的死区时间来恢复二极管电荷，它还是几个因素的函数，例如二极管导通的温度，电流和时间。问题出现了：如果GaN FET不具有这种元素，当栅极“关闭”（Vgs=0V）时，它们是否反向导电（从源极到漏极）？答案是，是的，GaN FET使用与正向相同的通道（不是寄生元件）来实现反向传导。这种传导的电压降大于二极管的压降；但是，通过使用非常短的死区时间可以最大限度地减少总损失。由于没有反向恢复，可以使用大约5到15ns的死区时间。此外，如果需要，可以在GaN FET（通常是小二极管）周围使用可选的并联肖特基二极管。

开关电源应用

GaN FET允许电源设计人员进一步优化其设计。为总电源设计带来的优点包括：尺寸，重量，效率，EMI，以及可能的更少电压和更高的环路带宽。

尺寸和重量：快速切换和降低寄生效应可降低每个开关周期的损耗。电源设计人员可以选择如何利用这一优势：提高频率，或提高效率，或两者的平衡（更高的频率和同时更高的效率）。而GaN FET本身比同等MOSFET小，特别是对于卫星应用，所以为总电源的尺寸和重量带来了很大的好处。提高效率可以减少散热器的尺寸/重量，并减少来自电源的抽取。频率增加可以使电感器和电容器更小，而对于电感器，电感值的降低可以降低铜损。

带宽：由于GaN FET能够有效提高开关频率，如果需要，可以使反馈回路的速度更快。更快瞬态响应的优点是可以减小输出电容的大小，因为电源能够更快地响应负载变化，因此，不需要来自输出电容器那么多的能量来消除瞬态的影响。

EMI：增加频率和开关速度似乎会增加EMI的问题，但GaN在该方面具有优势。寄生效应降低意味着每个开关周期中在这些寄生元件中存储和释放的能量更少。由于尺寸较小，可以改善电路板布局以降低环路电感。下图是从电源半桥评估板获取的示例开关波形。请注意，即使此降压转换器具有快速上升和下降时间，由于优化的布局，电压过冲也很低。

图4 150V_IN至5V_OUT@4A（200kHz）降压转换器的波形

栅极驱动器

要充分利用GaN FET，需要专门的栅极驱动器：快速并调节到理想的驱动电压。允许的最大栅极电压为6V，大多数用于商业级应用的GaN FET驱动器使用5V作为驱动电压；然而，对于卫星应用，通常需要增加电压余量。这些应用的理想栅极驱动电压为4.5V。与5V栅极驱动相比，该电压对R_DSON的影响最小。在最坏的情况下，使用低于4.5V标称值的驱动电压会导致R_DSON过度增加。 GaN数据手册中的曲线适用于典型器件，因此，不应将其解释为“4V或更低的标称栅极驱动电压是一个不错的选择”。

目前市场上的大多数FET控制器和驱动器提供的驱动电压超过10V，这会损坏GaN FET的栅极。拥有一个可将MOSFET电压电平降低至4.5V栅极驱动电平的驱动器，将是利用市场上现有PWM控制器的理想选择。在选择驱动器时需要考虑两个重要因素：1）切换时是否具有良好调节的栅极驱动？ 2）如何确保GaN FET在应该关闭时保持关闭状态？

无论电源线和输出负载如何变化，良好调节的栅极驱动都将保持栅极电压。驱动器的性质是，需要它能够在短时间内反复提供电流放大。这通常通过调整给定输出电容的内部调节器的补偿来实现。由于这通常由IC制造商负责，因此这里的真正挑战是，如何处理输出电容与GaN FET栅极之间的线路中存在的任何杂散电感。在短时间内的电流放大将会导致大的电压瞬变，这可能损坏GaN FET栅极。为了解决这个问题，我们首先要确保驱动器输出和FET栅极之间的铜走线尽可能短。图5显示了低侧应用的优化布局示例：

图5 优化布局，最大限度地减少栅极驱动环路中的电感

下一个任务是确保栅极返回环路的电感也最小化。在上面的示例中，栅极返回（基底）与源平面合并以实现此目的。一旦考虑了布局，如果栅极波形上仍存在不希望的电压尖峰，则可以增加栅极电阻器以进行补偿。同样重要的是确保驱动器具有内置故障保护功能，以便在出现故障时关闭FET。如果输入不再被驱动，它们应该处于关闭FET的状态。保持关断的另一种情况是栅极驱动电压不足以用最佳R_DSON驱动GaN。

除了设计强大的PWM控制器和低侧栅极驱动器的技术外，卫星系统的设计还有一些难以克服的障碍。为了使卫星在轨道上发挥作用，其组件需要在长时间暴露于低剂量率（LDR）总电离剂量（TID）的情况下保持正常运行，并且能够处理与空间中的电离粒子（例如重离子）的相互作用。具有PWM控制器和GaN FET驱动器，当重离子在结上沉积电荷或者其器件阈值偏移与LDR TID时不会翻转状态，这在IC设计和工艺设计阶段必须减轻。下面是一些图表，显示了驱动程序在从头开始设计空间时可以做什么（而不是商用的屏蔽IC）。

图6 ISL71040M栅极驱动电压VS低剂量率（<10 mrad（Si）/s）

图7 ISL71043M总体精度VS低剂量率（<10 mrad（Si）/s）

与GaN FET驱动器连接的PWM控制器需要在重离子下表现良好。由于前期成本，采用来自商业界的部件和屏幕设备通常是很诱人，但除非设备是为空间应用而设计的，否则其性能将至少严重降低，或者无法实现相关功能。以下是具有2V输出的商用开关电压调节器的示例，该调节器暴露于重离子：

图8 在25℃下暴露于LET=43MeV•cm²/mg的ISL85410的SET响应

在某些情况下，离子冲击后输出恢复到2V，但在大多数情况下，它将完全关闭或开始调节其他电压。虽然前者可以通过简单的动力循环来修复，但后者可能会对有效载荷造成严重损害。这是一个在重离子下工作良好的控制器的例子：

图9 ISL71043M在25°C下暴露于LET=43MeV•cm²/mg的正V_OUT瞬态的示例

图中显示了控制器经历离子撞击，导致略微放大的LX脉冲，并通过反馈回路快速校正。

对于LET为43MeV•cm²/mg的ISL71040M，没有单事件瞬态记录静态输入，而对于500kHz的动态输入，其中SET被定义为脉冲宽度的±20ns扰动，它有一个非常小截面（≤1.7x10^-6cm²）。

结论

GaN FET非常适合卫星应用，但需要良好的栅极驱动器才能实现其全部潜力。与传统的硅部件相比，它们可以实现更高效的开关，更高频率的操作，更低的栅极驱动电压和更小的解决方案尺寸。