航空航天領域中的GaN功率器件（下）

氮化鎵(GaN)功率器件可以提高航天電源的效率和功率密度，但要在航天電源廣泛使用，我們需要解決一些特定的挑戰。

1.航天電源的應用挑戰

高頻電源集成

由于航天載荷的體積和重量限制，電源的高頻集成成為了一個挑戰。針對這一問題，利用薄膜磁微電感技術，可緩解高頻損耗；采用硅通孔(TSV)技術和封裝技術，可實現器件在同一硅基片上的集成。部分研究機構還開發了全芯片上集成的諧振式升壓DC/DC變換器，降低了電源尺寸和寄生損耗。

通過在垂直方向進一步發展電源，實現器件以及晶體管級的電子組件的集成，可顯著提升面積密度和降低信號延遲。

散熱問題

對于集成電源模塊，由于器件在運行時產生大量熱量，我們需要及時將這些熱量擴散開，以確保源的可靠性。目前解決航空電源散熱問題的方法包括改進器件本身、優化封裝方式、采用高導熱材料以及設計良好的散熱通道等。

但是航天環境的特殊性使得航天電源的散熱更具挑戰性。例如，微重力環境下不會產生自然對流，設備在艙外真空環境中也無法通過對流進行換熱。因此，研發和使用壽命將會受到熱量積累的影響。

基于上述問題，研究員發現使用金剛石作為GaN功率器件襯底的理想材料，因為它具有最高的導熱率。然而，由于金剛石材料價格昂貴、直接鍵合技術難度大等問題，目前仍然采用SiC作為襯底。

2.器件級應用挑戰

高效、可靠驅動的研究

有許多研究為減少反向導通損耗而優化了死區時間方法，包括固定死區時間法、死區時間自適應法和可重構死區時間法。另一些研究提出了針對于壓降的優化研究，提出一種三電平驅動方案。

但針對GaN的驅動研究仍面臨挑戰。例如，GaN功率器件因低閾值電壓，導致在高速開關過程中容易產生寄生參數振蕩。因此，許多公司已經研發了集成驅動芯片。

輻照效應

由于航天器需要在高輻照環境下工作，所以對GaN的輻照效應研究也非常重要。實驗發現，一定程度上增大柵-漏極之間距離對于抵抗輻照能力具有明顯增強。

雖然當前GaN功率器件在航天電源的發展緩慢，且其效率明顯低于商業級產品，但已有許多研究團隊和公司正在針對單粒子敏感性問題攻關研究，以滿足未來航空電源應用需求。

GaN功率器件以其卓越的耐高壓、高頻率和高導熱特性，正催生著宇航電源實現微型化與輕量化的新方向。世界各地的科研機構已經開始探究這些器件在宇航電推進和射頻電源應用領域的潛力，發現它們能顯著提升各類宇航電源的效率和功率密度。

然而，由于宇航電源整體及其組件面臨的綜合挑戰，GaN功率器件的全面應用至今尚未達成。但是，隨著GaN功率器件輻照強化及驅動方式的創新改良，宇航電源將會得到更大助推。

結合高集成度電源設計，以及優化的宇航電源散熱技術，都有助于實現電源從組件到系統的全方位突破。因此，基于GaN功率器件來研究高頻、高效和輕量化的宇航電源，將引導新一代宇航電源產品實現性能參數的巨大飛躍，并對未來宇航電源的工程應用價值產生深遠影響。