什么样的功率半导体才能上太空

本文要探讨的工程问题是：一款功率半导体，需要具备哪些条件，才能适配特定航天任务。答案取决于它所配套的电路、在轨将要面对的环境，以及器件一旦失效会引发什么后果。

功率 mosfet 负责在转换器中完成电流开关动作，把太阳能电池阵列和蓄电池的电能转换成可用的供电轨;同时还承担负载的通断隔离，支撑冗余供电路径。举个例子，如果开关无法关断，故障电路会持续接入系统;如果开关无法导通，有效载荷就会断电。两种失效模式带来的影响，都不只是单个转换器效率下降这么简单。

挑选合适的功率器件，不能只看额定电压或辐射指标。器件出厂时电气性能必须达标，并且要能承受任务周期内预计的辐射环境。

航天级器件要求，从任务本身出发

英飞凌 IR HiRel 首席产品定义工程师埃里克・法拉奇在接受《电力电子新闻》采访时表示，首要一步是梳理任务剖面：包括目标轨道、设计服役寿命、屏蔽防护设计、冗余方案，以及航天器损毁会造成多大损失。

长期在轨的航天硬件，相比卫星可批量更替的星座项目，对元器件的验证要求更高。没有哪一款器件可以适配所有任务。辐射暴露程度，取决于器件的工作时长，以及它在航天器屏蔽结构内部的安装位置。

工程师再把这些任务信息转化为开关器件的额定电压、额定电流、电气特性、封装形式和抗辐射耐受指标。法拉奇提到，大部分航天任务需求，都可以用现有现货 MOSFET 实现，不需要单独定制芯片裸片(见图 1)。

图1

“很多时候，我们依靠现有目录产品就能满足需求。” 他解释道。源控图纸会收窄器件允许的栅极阈值电压范围，或是对成熟器件增加额外筛选项目。这类改动只是变更元器件的选型与测试标准，底层的芯片裸片本身不会改动。

按照 MIL-PRF-19500 标准开展的 JANS 级筛选，是为了降低分立半导体器件早期失效的风险。法拉奇介绍，在他们的工艺流程中，MOSFET 要经过超过 200 小时的生产老化测试。这类测试耗时久、会增加成本，目的是筛除制造缺陷，但本身不能赋予器件抗辐射能力。

任务场景与电路决定器件需要耐受哪些环境;而掌握辐射效应，才能预判器件会以何种方式失效。

抗辐射能力应对两类不同失效问题

辐射对功率 MOSFET 的破坏分为两种：一种是缓慢衰减，另一种是单次粒子轰击造成瞬时损伤。总电离剂量效应(TID)是长期累积效应。在硅基 MOSFET 中，电离辐射会在栅氧化层及周边绝缘区域产生电荷，部分电荷会被捕获，硅与氧化层的界面还会形成缺陷。

这些变化会改变栅极阈值电压。一旦阈值电压跌落过多，转换器里的开关就可能出现漏电流，甚至无法关断。

功率器件标注的剂量等级，并不代表器件电气参数完全不变。法拉奇说明，额定 100 千拉德或 300 千拉德(硅)的器件，参数会发生漂移，但在该剂量范围内，参数仍能维持在规格限值以内。配套电路可以在该参数区间正常工作，包含辐射累积到任务末期的工况(见图 2)。

图2

单粒子效应(SEE)则是另一类风险。高能粒子一次轰击，就会在穿行路径上沉积电荷。线性能量转移(LET，单位 MeV・cm²/mg)描述粒子在材料中每穿行单位长度损失的能量。器件处于关断状态时，漏源电压、栅极偏置会在芯片内部形成电场;粒子轰击产生的电荷会放大局部电场，引发单粒子烧毁，或是击穿栅氧化层。

“单粒子效应设计的核心是控制临界电场。” 法拉奇解释。如果一味降低导通电阻、最大化利用芯片面积，内部电场会更难管控。英飞凌 R9 超结 MOSFET 的设计思路，就是在提升导通性能的同时，降低单粒子效应敏感度。

工程师必须明确：功率器件的性能验证，是在怎样的漏极电压、栅极偏置以及其他工况下完成的。

辐射指标必须经过实测验证

电离剂量测试遵循 MIL-STD-750-1A 标准 1019.5 方法：在指定电气偏置条件下，用钴 60 伽马射线照射样品。偏置条件至关重要，因为电场会影响辐射产生电荷的迁移与捕获。

照射前后都要测试阈值电压、漏电流、导通电阻，确认器件参数不超出设计限值。实验室测试可以验证特定条件下的器件表现，但无法完全复现卫星在轨会遇到的所有温度、偏置组合。

法拉奇强调，初始设计验证只是证明工作的一环。不同晶圆批次的辐射响应存在差异，因此英飞凌会对带抗辐射保证等级的器件，从量产批次抽样做辐照测试。“这不只是一次测试承诺，而是融入生产与筛选流程的环节。” 这种批次辐照验收测试，把剂量指标和实际生产的芯片绑定在一起。

验证单粒子性能时，工程师会在回旋加速器等重离子装置，选用特定离子轰击功率器件，同时施加漏极与栅极偏置，持续监测失效情况并测试电参数，排查性能衰减。

法拉奇补充，仿真可以预判设计调整的优化方向，但最终结论必须依靠成品器件实测。对航天任务工程师而言，最有价值的成果，就是这些测试确定下来的工作裕量，包括允许的电压、栅极偏置范围。

图3

氮化镓(GaN)助力航天电源系统小型化

氮化镓器件可以实现高速开关、低损耗，提升转换器效率，还能缩小磁性元件体积(见图 3)。电源硬件体积重量减小后，卫星可以留出更多质量与空间，用于搭载算力与通信设备。法拉奇说：“发射卫星的目的，并不是为了在太空完成更高功率的电能变换。”

随着负载功率提升，越来越多客户倾向采用更高电压的配电方案，以此减小电流、降低线缆重量。母线电压需要按任务单独选型，但提升母线电压，会改变开关器件的额定指标以及辐射测试工况。

法拉奇介绍的 p 型氮化镓栅极高电子迁移率晶体管(p-GaN HEMT)，没有采用硅 MOSFET 那种栅氧化层 —— 而栅氧化层正是总剂量衰减的主要失效来源。这不代表氮化镓器件完全不怕辐射。辐射仍会造成关态漏电流上升，高电压下也可能发生烧毁。每一款氮化镓器件及其产线，都需要单独评估。

航天器设计人员，需要拿到经过工作裕量测试的硅 MOSFET 或氮化镓功率器件，同时要有完整文档记录电气工况、辐射限值，以及批次级量产验证数据。