航空航天领域中的GaN功率器件（上）

在中国深空探索及载人航天任务逐渐增多的背景下，对电能的需求也随之上升，从而推动了对宇航电源的高效率与小型化的设计需求。宇航电源是航天器系统的心脏，既要为电推进系统和激光武器等高功率负载供电，也要增强对科学试验平台、地球观测以及全球通信系统的供电能力。采用功率密度低的电源系统，会导致体积和重量的增加，减少航天器的有效载荷，并增大发射成本及维持在轨运行的难度。

 

目前，宇航电源的研究正朝向使用高频化设计的方向演进，频率高达1MHz的电源可以显著减小无源器件的体积和重量，从而减少宇航电源中磁性器件所占的体积和重量比例（从之前的20%～30%降低）。然而，传统宇航电源由于硅基MOS管的性能接近其极限，其开关频率仅限于100kHz至200kHz，这限制了高频宇航电源的进一步发展。

 

因此，当前的研究方向正逐步转向以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这两种宽禁带半导体材料为基础的功率器件。相比之下，SiC更适用于高电压、超高功率和高温环境，而GaN更适合于1MHz以上开关频率的宇航电源应用。

GaN 功率器件现状

 

氮化镓（GaN）功率器件作为第三代半导体材料，在结构和性能参数方面有显著优势。随着科技的发展，这一器件越来越受到研究和实际应用的重视。

 

氮化镓与高掺杂的氮化铝镓（AlGaN）形成的异质结，在界面处产生的高浓度二维电子气（2DEG）使电子迁移率极高，达到了2000cm²/(Vs)。这一特性显著降低了器件的导通阻抗，进而减小了导电损耗，从而提升器件的整体性能。以EPC公司和英飞凌两家企业的产品为例，EPC的氮化镓（GaN）功率器件与英飞凌的硅MOS管在栅极电荷（QG）和结电容（CRSS）等方面具有更低的参数，说明GaN器件在关断阶段的储能更少，导通阻抗（RDS）更小，这对于提升开关频率和开关效率至关重要。

 

氮化镓（GaN）相较于硅MOSFET，并拥有更大的禁带宽度、更高的导热率、更强的击穿场强和更快的电子饱和漂移速度等优点。这些特性使GaN器件在工作时更加稳定，能够承受更大的电压压力和极高的电压变化率，开关频率也远超其他类型的功率器件。

全球已有多家公司投入氮化镓（GaN）功率器件的研发，并已应用于宇航领域。尽管Panasonic、EPC、Renesas、Freebird、Infineon 和被其收购的GaN Systems等少数公司能生产出适合宇航应用的器件，但中国在这一领域的起步较晚。尽管如此，一些国有企业和研究机构在宽禁带半导体研究上已取得初步成果，英诺赛科等企业开发的30V至650V的GaN功率器件已适应多种民用场景。特别是其在40V以下的低压GaN功率器件研究上，15V的InnoGaN在10MHz频率下能达到超过90%的效率表现，领先全球。而针对宇航电源使用的抗辐照GaN功率器件，中国的相关产品仍在研发阶段。

 

宇航电源中的GaN

 

在深空探测等领域，开发超过50千瓦的高功率电推进技术逐渐受到重视，美国航空和航天局（NASA）计划在2030-2040年期间推动200-500千瓦的霍尔电推进技术的研发与应用。在全球通信覆盖的基础上，由于大量中低轨道卫星对空间轨道的影响，卫星载重的功率提升和高效率射频电源技术变得尤为重要。21世纪初，美国国防高级研究计划局（DARPA）率先开始研究如何将氮化镓（GaN）功率器件应用于射频电源。由于GaN功率器件出色的性能，预计将对新一代航空全功率电源的发展起到关键作用。

 

电推进系统电源

电推进系统的电源处理单元（PPU）是其关键组成部件之一，主要职能是将飞行器的一级电源转换为推进工作所需的各种电源。离子电推进PPU和推力器的特殊格栅结构以及高压电源的配合，使得其效率和比冲突破了以往的上限，美国的黎明号和其他深空探测器采用的NSTAR以及NEXT-40等都是离子电推进PPU。霍尔电推进PPU结构简单，成本较低，是商用航天领域和欧洲SPT-100主要选择的推进电源技术。提高PPU功率的关键在于DC/DC变换器的设计，以及高效率的电路拓扑和新型半导体功率器件的应用。

 

为了超越传统电推进器输出电压的限制，并满足全电推进飞行器对高压电源的需求，欧空局采用了双向有源桥（DAB）的拓扑结构，并在副边全桥整流拓扑中应用了四个650伏的高压GaN功率器件；与现有技术的PPU相比，GaN功率器件的卓越性能导致其功率密度增加了约70%，在5千瓦的大功率场景下，其转换效率能达到96%，同时对成本的压降也十分明显。

 

1.希腊的SITAEL Hellas公司对现有的PPU进行了增强型氮化镓(eGaN)功率器件的开关元件替代研究，经过优化后的PPU比原来的重量轻了约8%、体积缩小了约10%、效率提高了2%-3%，这些进步推动了eGaN功率器件在低地轨道300瓦以下的PPU中的应用。

 

2.在国内，哈尔滨工业大学与多家研究机构合作，将GaN功率器件应用于电流驱动移相全桥（CD-PSFB）电路，设计的电源效率得到了进一步提升，峰值效率可达92.3%，尽管试验样机的电压和功率相对较低，但也验证了GaN功率器件是优化霍尔PPU的最佳选择。

 

射频电源

1.作为低轨通信卫星电推进单元的核心技术，高效率、小体积的射频电源具有广阔的发展前景。电子科技大学的刘顺林教授将GaN功率器件应用于大容量射频电源系统，采用三路功率合成方法以及通孔的电路散热设计，最终研发的射频电源系统工作频率可达13.56 Mhz，输出功率为968 瓦，效率可达88%以上。

 

2.尼尔马大学针对母线电压为70V、负载需求为7V的航天器，在LLC电路内采用eGaN功率器件作为主开关和同步整流管，设计了一款工作频率为400-500 kHz，功率为50瓦的DC/DC变换器；与现有的硅MOS相比，电源效率可以提高8%，最高能达到94.8%。

 

3.匹兹堡大学提出了一种在固定开关频率下，采用Buck或Boost与LLC级联式电路拓扑设计的DC/DC变换器，适用于雷达、通信系统或小型卫星上其他设施的负载。这个系统采用GaN功率器件，实现了快速、可扩展的特性，且在5瓦至100瓦的整个负载范围内效率均能达到95%以上，可以满足多样化的负载需求。

 

这些就是GaN器件在航空航天领域中的概况，下一篇为让大家带来航空电源应用在目前的状况下面临的挑战和其中对应GaN器件的挑战。