在過去幾年中，太空市場通過采用太空系統(tǒng)中前所未有的新技術，一直在朝著更高效的電源解決方案邁進。太空硬件會受到包括電離輻射在內的惡劣環(huán)境條件的影響，因此需要使用抗輻射組件。幾年前，抗輻射功率 MOSFET 已經面世，但它們犧牲了電氣性能以實現出色的抗輻射能力。這導致航天級電源的轉換效率遠低于商用電源。在最新的技術中出現了氮化鎵（GaN），一種寬帶隙半導體，具有比硅更高的功率轉換效率和固有的抗輻射能力。除了能夠顯著提高不同拓撲結構和各種功率級別的商用 DC/DC 轉換器的效率外，基于 GaN 的 FET 還被證明對伽馬輻射和單事件效應 （SEE） 具有顯著的耐受性。所有這些特性使GaN FET非常適合用于衛(wèi)星和運載火箭的電源中。

CAES 單級隔離式 DC/DC 轉換器

CAES（前身為 Cobham Advanced Electronic Solutions）推出了業(yè)界首個基于 GaN 的單級隔離式 DC/DC 轉換器，用于高吞吐量衛(wèi)星有效載荷。新的 SCD51028XXX 產品系列提供業(yè)界最高效的電源轉換模塊，以實現可重新編程和軟件定義的有效載荷。

借助這款新型 GaN 單級隔離轉換器，CAES 已將總線電源直接轉換到負載點 （POL），而不是使用多級來獲得負載點所需的較低電壓。與通常實現約 80% 整體效率的兩級轉換器不同，CAES 的單級轉換器可以利用 GaN 技術在滿載和 50% 負載下提供更高的效率。

“我們創(chuàng)造了一種新的單級轉換器，當我們從 28V 等總線電壓到可低至 0.8V 的負載電壓點時，它使我們的效率超過 90%，”Dave Young 說， CAES 首席技術官。

更高的效率對于新的衛(wèi)星產品尤其重要，這會對衛(wèi)星的熱設計、電池電量、太陽能電池陣列以及實現低功耗解決方案所需的所有設備產生相關影響。

“我們很高興該產品將支持更小的系統(tǒng)。我們的產品只有 3 英寸寬、2 英寸長，因此它甚至可以安裝在最小的 LEO 衛(wèi)星中，而且我們將能夠獲得比過去更高的功率轉換效率，”Dave Young 說。

DC/DC 轉換器的功能框圖如圖 2 所示，是一款隔離式降壓穩(wěn)壓器，專為耐輻射而設計。它代表了 LEO 星座和更大的衛(wèi)星的經濟實惠的解決方案，執(zhí)行不同負載點所需的低功率轉換。

圖 2：CAES 51028XXX 系列功能框圖

氮化鎵提供比硅更優(yōu)越的特性，不僅因為它的高開關頻率和低 RDS（ON），還因為它天生具有抗輻射能力，這意味著它可以承受外太空等輻射環(huán)境。

“盡管航天工業(yè)非常保守，但 GaN 的輻射硬度允許我們在太空中使用它。我們可以讓我們的轉換器以更高的頻率進行開關，使磁性、RDS （ON）和占位面積更小，并使芯片更高效”，CAES 電源系統(tǒng)首席架構師 Dan Gonzalez 說。

由于 GaN 對航天工業(yè)來說是一種相對較新的材料，因此組件級的篩選非常嚴格。CAES 的工程師必須證明該設備能夠滿足空間要求，增加了額外的壽命測試和老化鑒定測試。這些測試大多基于 MIL-PRF-38534 標準（K 類和 H 類），適用于電源模塊或 DC/DC 轉換器等多芯片模塊和系統(tǒng)。

今天，許多衛(wèi)星和空間系統(tǒng)都基于 28V 總線電壓。然而，CAES 也在向更高的電壓（例如 100V）推進和發(fā)展，以滿足來自航天工業(yè)的這一日益增長的要求。

“目前，已經開發(fā)了許多使用 28V 總線電壓的負載點和系統(tǒng)。因此，28V 是我們基于 GaN 的轉換器針對的第一個輸入電壓”，Dan Gonzalez 說。

DC/DC 轉換器既可用于單獨運行，也可在具有共享控制級別的并聯運行中使用。由于這些模塊是相對大電流的模塊（它們在較低的電壓下可以提供高達 50A 的電流），因此工程師在模塊并聯時應非常注意布局。并聯模塊和負載之間非常小的阻抗差異實際上可能代表相當多的下降。

如圖 2 所示，轉換器實現了遠程檢測功能，這意味著它能夠在低于標準輸出的電壓下調節(jié)輸出。其他功能包括可配置的軟啟動，它允許您通過添加外部電容器來設置比默認值 （2ms） 更長的上升時間，以及用于處理外部同步信號的專用輸入引腳。當兩個轉換器使用同步引腳同步時，它們將同相或 180° 異相工作。內置保護功能確保設備的安全，包括輸入過壓和欠壓關斷、過流和短路保護。

新轉換器不會造成任何熱管理問題，因為轉換器中散發(fā)的所有熱量都可以通過器件的引線帶走。作為高電流模塊，PCB 走線具有高含量的銅以減少 IR-Drop，但這也允許熱量傳播。

“我們的熱分析和測量表明，從轉換器的最熱點到最冷點（即設備的引線），只有 2-3°C 的差異”，Dan Gonzalez 說。

雖然 CAES GaN 基 DC/DC 轉換器適用于 LEO 和 GEO 軌道，但它們的設計目的是盡可能降低成本，使它們對 LEO 星座更具吸引力，因為有計劃放置大量廉價衛(wèi)星在上面。

“客戶總是希望設備尺寸更小、效率更高且成本合理。我們認為該設備在所有三個方面都達到了這一標準。我們將繼續(xù)在其他電源轉換應用中推廣和推進 GaN FET，不僅是隔離式 DC/DC 轉換器，還有降壓轉換器、電機驅動器、電源控制器和總線控制器。我們的路線圖包括所有這些項目，以及不同的電壓水平”，Dan Gonzalez 說。

審核編輯：郭婷