正如前一篇文章所述，电源调节与分配单元(PCDU)是卫星电力系统(EPS)的关键子系统。该单元的功率预算与卫星的类别及其应用密切相关。

最初部署的立方星仅能管理几十瓦的功率，而今天的商业星座和政府任务则需要高达1千瓦甚至以上的功率预算。例如，为政府及商业用户提供地球图像的微型卫星星座ICEYE(图1)，其特点是配备了峰值射频功率达4千瓦的X波段合成孔径雷达(SAR)[1]。

图1

像STARBUCK-MINI PCDU这样的单元，设计可处理高达2.5千瓦的太阳能输入功率。它们管理多种任务，包括电池充电、不同电压轨上的负载切换以及故障检测与隔离，所有这些都在小卫星所提供的质量和体积限制内完成。

要在满足此类卫星所需的小尺寸和轻重量的同时达到如此高的功率密度，极具挑战性。最初为大型地球同步轨道(GEO)航天器开发的、基于硅的、抗辐射电源转换器，在需要制造成百上千颗卫星时，显得过于庞大、笨重且昂贵。

氮化镓的兴起

氮化镓(GaN)是一种宽带隙半导体，可以解决这种不匹配问题。GaN的材料特性，如低导通电阻、快速开关速度以及对总电离剂量效应的固有耐受性，使其非常适用于辐射环境中的高密度功率转换。

匹兹堡大学研究人员在2018年发表的一项研究[2]分析并量化了GaN在小卫星电力系统中的使用。通过这项工作，研究人员设计、制造并测试了三个使用GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)开关、工作在2兆赫兹的抗辐射负载点(PoL)转换器。

与传统的硅基抗辐射转换器相比，这些基于GaN的PoL转换器所需质量减少84%，体积减少79%，组件成本降低83%，同时保持了96%的满载效率。这些转换器随后作为STP-H6任务的一部分，作为子实验在国际空间站上进行了在轨验证。与抗辐射硅转换器相比，其更高的效率被测量出大约高出20个百分点。这一改进直接转化为更少的热耗散和更小的热管理硬件。

GaN转换器能在高开关频率下如此高效地工作，其根本原因在于器件物理特性。大多数GaN HEMT中使用的肖特基金属栅极结构消除了在电离辐射下会积累电荷的栅氧化层，从而移除了标准硅mosfet中看到的主要TID退化机制。更小的耗尽区体积降低了对单粒子效应的敏感性，而更宽的带隙提高了入射粒子的电离阈值。这意味着GaN晶体管可以实现有用的辐射耐受性，而无需采用那些使得传统抗辐射组件如此庞大和昂贵的特殊气密陶瓷封装。

除了GaN晶体管，实现航天级功率转换子系统还需要其他组件，包括栅极驱动器IC、PWM控制器以及各种无源元件。所有这些组件都需要通过辐射环境认证并与GaN兼容。这正是生态系统正在形成的地方，多家半导体制造商正专门为小卫星电力系统推出GaN专用支持器件。

氮化镓生态系统

德州仪器(TI)

2025年，德州仪器宣布推出用于卫星电力系统的抗辐射GaN FET栅极驱动器系列(见图2)。这些器件可用于多种拓扑结构，包括同步降压、反激和全桥，并可在22V至200V电压范围内工作。

图2

高电压额定值非常重要。200V栅极驱动器面向推进系统和来自太阳能电池板的输入功率转换，而60V和22V版本则服务于整个卫星的配电和负载点转换。新型TPS7H60x5系列采用56引脚HTSSOP塑料封装，并提供符合QMLP [3]标准的抗辐射级和抗辐射太空增强型塑料两种等级，其中QMLP器件的额定TID高达100 krad(Si)，并且在LET高达75 MeV·cm²/mg时无单粒子效应。新驱动器支持高开关频率，这允许使用更小的无源元件和实现更高的功率密度。

瑞萨电子

针对控制器和驱动器产品，瑞萨电子公司推出了ISL71043M单端电流模式PWM控制器和IS71040M低侧GaN FET驱动器。这些器件被宣布为航天工业中首款用于小卫星和运载火箭DC/DC电源的塑料封装、抗辐射PWM控制器和GaN FET驱动器。

该产品对非常适合低地球轨道巨型星座的经济性。ISL71043M和ISL71040M经过特性测试，TID高达30 krad(Si)，LET为43 MeV·cm²/mg，工作温度范围为-55°C至+125°C。

PWM控制器的工作开关频率可调节至高达1 MHz，从而实现更小的无源滤波组件(这对空间有限的小卫星来说是一个巨大的优势)。ISL71040M驱动器能在温度和辐射暴露条件下将栅极驱动电压精确控制在+3/–5%以内，并包含浮动保护电路以防止意外开关事件。

EPC Space

EPC Space是宜普电源转换公司和VPT公司的合资企业，提供专门为太空市场设计的宽泛系列的增强型GaN晶体管和功率级。该公司的eGaN晶体管采用在硅衬底上生长的工艺，成本低于传统的宽禁带工艺，并且这些器件积累了涵盖TID和单粒子效应的辐射测试数据。

该公司推出了EPCS4001(图3)，这是一款与欧洲核子研究中心(CERN)共同开发的抗辐射、高频(3 MHz)降压控制器，旨在与EPC基于GaN的抗辐射功率级系列配合使用。除了控制器，EPC Space还发布了EPCSC401参考设计，这是一个50V至12V的降压转换器，在紧凑且经过验证的配置中展示了EPCS4001和EPC7011L7的完整能力。

图3

EPCSC401将20-50V的航天器总线电压转换为高达5A的稳压12V输出。该控制器ASIC的CERN传承值得注意：该机构在优化用于粒子物理仪器的抗辐射控制逻辑方面积累了丰富的经验，而EPC Space直接将这一专业知识应用于太空电源产品。该组合设计用于在极高辐射环境(50 Mrad)和强磁场(40,000 Gauss)中运行，其测试辐射数据高达数百兆拉德，远超任何低地球轨道任务会累积的剂量。

英飞凌

在器件层面，英飞凌科技公司已大举进入GaN太空市场。2025年5月，英飞凌宣布推出基于其CoolGaN技术、在其自家晶圆厂制造的新型抗辐射GaN晶体管系列中的首款产品。

凭借此次发布，该公司成为首家获得国防后勤局根据陆海空联合太空规范 MIL-PRF-19500/794 授予的最高质量认证的内部GaN晶体管制造商。

JANS认证是适用于航天飞行的分立半导体器件可获得的最严格的鉴定级别。它与抗辐射QML V级(相当于集成电路的最高航天级认证)一样，要求进行广泛的筛选、批次验收测试和质量管理监督，以确保任务成功。

最初的器件变体是100V、52A增强型HEMT，其典型漏源导通电阻为4 mΩ，总栅极电荷为8.8 nC。初始变体包括筛选至100 krad和500 krad TID水平的器件，其中通过JANS认证的部件筛选至500 krad。英飞凌计划开发更多变体，以扩展可用的电压和电流选项。

这里的主要优势在于供应链的深度。一个完全在单一公司晶圆厂内制造的、通过JANS认证的GaN晶体管，代表了从晶圆生长到交付部件的可追溯、可审计的路径，这是高后果任务的主承包商所要求的。

桑迪亚国家实验室

在材料研究层面，桑迪亚国家实验室一直在研究超宽禁带半导体，将其作为当前GaN技术之后潜在的下一步发展方向。桑迪亚的研究人员已经生长出超宽禁带氮化铝镓材料并制造了器件，包括击穿电压超过1600V的Al₀.₃Ga₀.₇N PiN二极管和击穿电压超过800V的AlN/Al₀.₈₅Ga₀.₁₅N HEMT [4]。

从GaN转向基于AlGaN和AlN的UWBG材料的动机，源于品质因数随带隙变化的规律：从硅转向GaN可将单极品质因数提高约870倍，而从GaN转向AlN预计可再提高37倍。

具体到辐射弹性而言，更宽的带隙进一步提高了电离阈值，而氮化物材料中更高的位移能量降低了对质子和中子位移损伤的脆弱性。桑迪亚的研究人员指出，利用UWBG材料制造非常独特的抗辐射组件的潜力，并设想与其微系统工程、科学和应用综合体合作建立可信的制造能力，不过这被描述为5到10年的发展前景。

Teledyne

Teledyne e2v HiRel 为航空航天、国防和在轨应用开发抗辐射电源管理解决方案。该产品组合中的核心组件是TD99102(图4)，这是一款UltraCMOS高速FET和GaN晶体管驱动器，采用凸点倒装芯片形式配置，以最小化寄生电感和占板面积。

图4

该器件的工作开关频率高达20 MHz，开关转换速度亚纳秒级，具有匹配的传播延迟和死区时间调整功能，以优化功率级效率。它提供高达100 krad(Si)的TID辐射耐受性，并能防止单粒子锁定，使其适用于低地球轨道卫星电源系统、DC-DC转换器、电机驱动和负载点模块。