与传统硅基抗辐射mosfet相比，抗辐射氮化镓解决方案能够实现更高的开关频率和更优异的效率，正在彻底改变卫星电源架构。这些器件对于满足低轨/地球同步轨道卫星电源、反作用轮电机驱动和离子推进器等应用中的尺寸、重量和功率要求至关重要。

相较于硅基的技术优势

eGaN器件的辐射耐受性源于其与硅MOSFET不同，没有栅氧化层，因此对单粒子栅穿免疫，并对总剂量辐射具有更强的耐受性。它们还具有更高的位移阈值能量，从而在中子辐射下性能更佳。

图1

在效率方面，氮化镓的品质因数通常比最好的硅MOSFET好5到10倍，在相同的物理占位面积下提供低得多的导通电阻，从而降低导通损耗。此外，它具有更低的栅极电荷，开关导通所需能量更少，并最大程度地降低了开关损耗，尤其是在高频下。

氮化镓相较于硅的另一个显著技术优势是完全消除了反向恢复电荷。在传统的硅MOSFET中，固有的体二极管在导通期间储存电荷;当器件关断时，这些电荷必须被释放，导致能量损耗剧增并产生电磁干扰。由于氮化镓器件的反向恢复为零，它们完全消除了这些开关损耗。

氮化镓通过在更高的兆赫兹频率下工作，实现了系统级效率的提升，能够使用更小、更优化的元件和更短的PCB走线，从而减少寄生电感。此外，出色的热效率使得可以移除风扇和散热器等笨重且耗能的冷却系统，最终降低了整个系统的质量和对电池的需求。

卫星系统中的关键应用

从深空探索到低轨电信市场，表1中展示的应用突显了氮化镓如何优化现代卫星架构。

表1

宇航级电源解决方案

为了评估基于抗辐射氮化镓IC的卫星三相功率级，技术设备分为三个关键类别：信号控制、功率分析和太空可靠性监测。

信号生成与PWM控制

由于氮化镓器件以极高的速度(纳秒级)开关，因此必须采用高精度控制以防止误触发。这需要能够执行先进电机控制算法(如磁场定向控制或无刷直流电机控制)的宇航级微控制器或FPGA，同时生成具有亚纳秒分辨率的PWM信号。

此外，高速数字隔离器对于在控制逻辑和高功率总线之间提供电流隔离至关重要，确保信号完整性而不引入显著的传播延迟。

功率与开关分析

测量氮化镓器件需要比传统硅基逆变器高得多的带宽。至少1 GHz带宽的数字荧光示波器对于捕获快速开关瞬变和检测寄生振荡至关重要。

此外，光隔离探头对于在高共模噪声干扰下测量高端栅源电压至关重要。最后，使用三相电机分析仪来评估逆变器效率并监测输送到卫星电机的总谐波失真。

太空可靠性监测

对于氮化镓功率级的太空可靠性监测，设备必须模拟轨道环境，同时实时检测辐射引起的故障。

热真空室用于复制太空真空和极端温度循环，并与高速数据采集系统配对，以监测热应力下的电压漂移或漏电流。

为解决辐射问题，单粒子效应测试系统连接到粒子加速器，以检测单粒子烧毁或单粒子栅穿等破坏性事件。

此外，高精度源测量单元对于测量纳安级漏电流以识别总剂量辐射引起的潜在退化至关重要。

最后，在真空环境中使用高分辨率红外热成像相机来精确定位指示效率低下或即将发生灾难性故障的热点。

图2

EPC Space：拓展抗辐射氮化镓在卫星系统中的应用

EPC Space的持续使命是提供在效率、尺寸和热管理方面优于硅基抗辐射MOSFET的宇航级抗辐射氮化镓解决方案，从而实现能力更强、更可靠、可扩展性更高的卫星系统，以支持高电压总线架构和更紧凑的航天器。

EPC7C021是一款三相电机驱动评估板，围绕抗辐射EPC7011L7C eGaN IC设计。该演示板是一个功能齐全的三相电机速度控制器，使用了抗辐射EPC7011L7C eGaN IC。它展示了氮化镓如何在紧凑的尺寸内实现高达400瓦的高效电机控制。EPC7C021可作为独立的三相电机控制器，也可支持与EPC9147A(一款用于高级闭环控制的控制器板)连接。关键应用包括卫星反作用轮、电力推进执行器、泵、机器人以及需要在不牺牲性能的前提下兼具功率、辐射耐受性和轻量化的深空任务。

抗辐射氮化镓FET

EPC7030MSH是一款300 V抗辐射氮化镓FET，旨在用于更高电压的卫星电源系统。EPC7030MSH是一款300 V、50 A、低导通电阻的器件。越来越多的卫星正在切换到更高的直流总线电压，以最大程度地减少配电损耗并支持更高的电源系统要求，例如电力推进和先进的太阳能电池阵列技术。像这样可靠的300 V器件允许设计人员在无需并联的情况下构建高效的前端转换器，这些转换器必须在严格的热约束下运行，并且在保持辐射耐受性和性能的同时，减小尺寸、重量和复杂性。

这款eGaN功率开关HEMT专为太空和其他高可靠性环境中的关键应用而设计。它是卫星电源系统中前端DC-DC转换器、航天器和电力推进平台中高压配电总线的功率转换，以及需要紧凑、高性能开关的太空机器人电机的理想解决方案。