航空航天领域中的GaN功率器件（下）

氮化镓(GaN)功率器件可以提高航天电源的效率和功率密度，但要在航天电源广泛使用，我们需要解决一些特定的挑战。

 

1.航天电源的应用挑战

 

高频电源集成

由于航天载荷的体积和重量限制，电源的高频集成成为了一个挑战。针对这一问题，利用薄膜磁微电感技术，可缓解高频损耗；采用硅通孔(TSV)技术和封装技术，可实现器件在同一硅基片上的集成。部分研究机构还开发了全芯片上集成的谐振式升压DC/DC变换器，降低了电源尺寸和寄生损耗。

 

通过在垂直方向进一步发展电源，实现器件以及晶体管级的电子组件的集成，可显著提升面积密度和降低信号延迟。

 

散热问题

对于集成电源模块，由于器件在运行时产生大量热量，我们需要及时将这些热量扩散开，以确保源的可靠性。目前解决航空电源散热问题的方法包括改进器件本身、优化封装方式、采用高导热材料以及设计良好的散热通道等。

 

但是航天环境的特殊性使得航天电源的散热更具挑战性。例如，微重力环境下不会产生自然对流，设备在舱外真空环境中也无法通过对流进行换热。因此，研发和使用寿命将会受到热量积累的影响。

 

基于上述问题，研究员发现使用金刚石作为GaN功率器件衬底的理想材料，因为它具有最高的导热率。然而，由于金刚石材料价格昂贵、直接键合技术难度大等问题，目前仍然采用SiC作为衬底。

 

2.器件级应用挑战

 

高效、可靠驱动的研究

有许多研究为减少反向导通损耗而优化了死区时间方法，包括固定死区时间法、死区时间自适应法和可重构死区时间法。另一些研究提出了针对于压降的优化研究，提出一种三电平驱动方案。

 

但针对GaN的驱动研究仍面临挑战。例如，GaN功率器件因低阈值电压，导致在高速开关过程中容易产生寄生参数振荡。因此，许多公司已经研发了集成驱动芯片。

 

辐照效应

由于航天器需要在高辐照环境下工作，所以对GaN的辐照效应研究也非常重要。实验发现，一定程度上增大栅-漏极之间距离对于抵抗辐照能力具有明显增强。

 

虽然当前GaN功率器件在航天电源的发展缓慢，且其效率明显低于商业级产品，但已有许多研究团队和公司正在针对单粒子敏感性问题攻关研究，以满足未来航空电源应用需求。

 

GaN功率器件以其卓越的耐高压、高频率和高导热特性，正催生着宇航电源实现微型化与轻量化的新方向。世界各地的科研机构已经开始探究这些器件在宇航电推进和射频电源应用领域的潜力，发现它们能显著提升各类宇航电源的效率和功率密度。

 

然而，由于宇航电源整体及其组件面临的综合挑战，GaN功率器件的全面应用至今尚未达成。但是，随着GaN功率器件辐照强化及驱动方式的创新改良，宇航电源将会得到更大助推。

 

结合高集成度电源设计，以及优化的宇航电源散热技术，都有助于实现电源从组件到系统的全方位突破。因此，基于GaN功率器件来研究高频、高效和轻量化的宇航电源，将引导新一代宇航电源产品实现性能参数的巨大飞跃，并对未来宇航电源的工程应用价值产生深远影响。