性能、可靠性和飛行傳統(tǒng)通常是空間應(yīng)用電子產(chǎn)品的主要關(guān)注點。根據(jù)任務(wù)的壽命和概況，設(shè)計人員可能會考慮在某些情況下使用商用現(xiàn)貨 (COTS) 部件。但 COTS 電子產(chǎn)品與抗輻射（抗輻射）設(shè)備有很大不同。Si MOSFET 等抗輻射組件經(jīng)過設(shè)計、測試和驗證，可在最惡劣的工作條件下運行，例如在太空中長時間暴露于輻射下。

從設(shè)計的角度來看，重要的是要權(quán)衡在高可靠性空間應(yīng)用中使用抗輻射硅 MOSFET 與基于替代材料（如 GaN HEMT 功率器件）的 COTS 器件的獨特考慮。在本文中，我們將著眼于電路設(shè)計的不同方面，以更好地了解選擇其中一個方面的權(quán)衡。

COTS 與否？

隨著當(dāng)今航天工業(yè)商業(yè)化程度的提高，設(shè)計師在平衡性能、項目成本、任務(wù)概況和風(fēng)險方面面臨更多挑戰(zhàn)。即使對于傳統(tǒng)的太空政府和公共部門參與者也是如此。數(shù)百家初創(chuàng)公司、大學(xué)研究人員甚至普通公民現(xiàn)在都在建造和發(fā)射預(yù)算衛(wèi)星，例如流行的 CubeSat 設(shè)計。這些新的太空任務(wù)通常以低地球軌道 (LEO) 為目標(biāo)，任務(wù)長度為數(shù)月而不是數(shù)年，它們傾向于使用耐輻射或符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 COTS 電子設(shè)備來節(jié)省成本或研究新技術(shù)。

汽車級和 COTS 電子產(chǎn)品的成本要低得多，滿足工業(yè)應(yīng)用的可靠性標(biāo)準(zhǔn)和性能基準(zhǔn)，但在設(shè)計時并未考慮到輻射穩(wěn)健性。雖然某些 COTS 零件可能顯示出固有的輻射耐受性，但它們的設(shè)計可能具有或可能不具有與抗輻射組件相同程度的輻射魯棒性。

使用 COTS 電子產(chǎn)品會帶來許多未知因素，例如晶圓批次之間的部分同質(zhì)性和一致性以及部分可追溯性。為了提高空間應(yīng)用的置信度，此類設(shè)備可能會在使用前以額外費用進行進一步的測試，稱為向上篩選。這也延伸到寬帶隙器件的使用，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 晶體管。但是，即使進行了向上篩選，也無法保證。測試結(jié)果可能會有所不同，即使來自同一制造商。或者 COTS 部件可能無法按需要運行并在輻射條件下存活。所有這些都給項目增加了更多風(fēng)險。

抗輻射電子設(shè)備提供對單個晶圓批次的可追溯性，因此在進行破壞性物理分析或其他篩選時，空間設(shè)計師可以對部件的均勻性和長期性能充滿信心，包括空間中的輻射和可靠性。較短、高冗余、次年的任務(wù)和探索新技術(shù)的 LEO 衛(wèi)星肯定會從使用 COTS 組件中受益。然而，對于“重大故障風(fēng)險”是不可接受的長期任務(wù)，高可靠性電子設(shè)備的基準(zhǔn)仍然是抗輻射硅。

圖 1：抗輻射硅 MOSFET 是需要高可靠性的長期太空任務(wù)的最佳選擇。

太空輻射挑戰(zhàn)

輻射在太空中無處不在，并且會對沒有緩解措施的電子設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。空間輻射可以通過兩種主要方式影響功能。與管芯氧化層相互作用的輻射會導(dǎo)致長期的、累積的損害，指定為總電離劑量。第二個影響是可能導(dǎo)致可恢復(fù)的單事件瞬態(tài)和災(zāi)難性故障的單事件效應(yīng)。當(dāng)施加高電壓時，撞擊柵極區(qū)域的快速、重粒子會在柵極氧化物上產(chǎn)生高瞬態(tài)電場，從而導(dǎo)致其破裂。這被稱為單事件門破裂。漂移區(qū)中的類似事件也可能導(dǎo)致源極和漏極之間的短路。最好的情況是它只是暫時的無損短路。在最壞的情況下，

使用抗輻射電子設(shè)備可以防止這種故障機制。例如，抗輻射硅 MOSFET 最初是在 1980 年代引入的，使用設(shè)計和制造技術(shù)來降低對輻射暴露的敏感性。多年來，更強大的設(shè)計、制造技術(shù)、篩選和認(rèn)證已經(jīng)發(fā)展到幾乎確保無故障的輻射性能。

最終，是否使用抗輻射電子產(chǎn)品或 COTS 電子產(chǎn)品取決于幾個因素——任務(wù)概況、性能參數(shù)、功能關(guān)鍵性、成本等等。在某些情況下，犧牲可靠性和抗輻射性可能是可以接受的風(fēng)險，以幫助滿足預(yù)算限制或在冗余或不太關(guān)鍵的系統(tǒng)中測試新技術(shù)。但是，當(dāng)優(yōu)先考慮可靠性時，例如對于高度關(guān)鍵的功能或長期、深空或行星際任務(wù)，抗輻射硅是明確的選擇。

簡化升級是關(guān)鍵

在這個充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，重復(fù)使用經(jīng)過驗證的技術(shù)是任務(wù)可靠性的關(guān)鍵。使用經(jīng)過飛行驗證的設(shè)計可保持已證明的可靠性和對長期成功機會的期望。電路板布局和電路優(yōu)化是一項主要的設(shè)計、測試和評估投資，尤其是對于高可靠性應(yīng)用。例如，在花費大量精力優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器的走線寄生參數(shù)（圖 2）之后，升級到更先進的下一代 Si MOSFET 比使用 GaN 等不同技術(shù)開始全新設(shè)計要簡單得多。IR HiRel 的 R9 等新的封裝兼容、更高效的 Si MOSFET 可以立即投入使用，以立即提高性能，而設(shè)計論證和重新認(rèn)證所需的工作量要少得多。

圖 2：經(jīng)過飛行驗證的設(shè)計（例如此降壓轉(zhuǎn)換器）需要大量時間來優(yōu)化高可靠性空間應(yīng)用的柵極驅(qū)動電路和電路板布局。繼續(xù)使用 Si，而??不是重新設(shè)計 SiC 或 GaN，可以加快設(shè)計和重新認(rèn)證過程。

抗輻射硅 MOSFET 支持更高的柵極額定值（±20 V 與 GaN –5 V 至 6 V）并具有 30 至 200 ns 的上升時間（而 GaN 的上升時間小于 5 ns），使其不易受電路寄生效應(yīng)的影響。降低柵極-源極電壓靈敏度可能是 GaN 的一個問題，促使進行耗時的設(shè)計迭代以優(yōu)化電路板布局。相比之下，Si MOSFET 在布局方面相對寬容，因此更容易設(shè)計能夠承受由寄生電感引起的電壓過沖的電路。最新一代的硅器件還顯示出與芯片和封裝相關(guān)的寄生效應(yīng)有所改善，從而實現(xiàn)更高性能的電路和效率提升，而無需在使用 GaN 時進行重大風(fēng)險權(quán)衡。

對于高開關(guān)頻率應(yīng)用，GaN 的小于 5ns 的小上升時間可能足以勝過其對寄生效應(yīng)的敏感性。然而，使用具有極小的上升/下降時間的開關(guān)確實需要花費更多的設(shè)計、測試和評估時間來優(yōu)化電路板布局和謹(jǐn)慎的組件選擇，同時還需要減少寄生效應(yīng)（表 1）。

表 1：電路板布局上升/下降時間的權(quán)衡

對于需要線性模式操作的應(yīng)用，例如線性穩(wěn)壓器的通路元件、短路保護和熱插拔/軟啟動，Si MOSFET 仍然是更優(yōu)越、更堅固的選擇。在存在漏源電壓的情況下工作時，有必要考慮安全工作區(qū) (SOA) 特性。IR HiRel 的 100-V R9 MOSFET 等器件可以在 25?C 的情況下在 50 V 和 20 A 的條件下工作 100 μs。相比之下，具有相似電壓和電流額定值的 GaN 晶體管表現(xiàn)更差，在相同條件下工作在 10 μs 邊界的邊緣（圖 3 中的綠色圓圈）。

圖 3：100V 器件的 SOA 比較：R9 MOSFET（左）和 eGaN HEMT（右）

對于負(fù)載開關(guān)或高側(cè)開關(guān)應(yīng)用，P 溝道 Si MOSFET 是一種出色、簡單且可靠的選擇。由于柵極電壓加上開啟器件的閾值電壓低于輸入電壓，因此與 N 溝道 FET（無論是 Si 還是 GaN）相比，該應(yīng)用中的驅(qū)動器電路非常簡單且具有成本效益。這也有利于空間非常寶貴的應(yīng)用，例如非隔離負(fù)載點和低壓驅(qū)動器。應(yīng)該注意的是，由于與 Si 替代品相比性能較差，目前沒有商用的 P 溝道 GaN 空間選項。雖然理論上可行，但 P 溝道 GaN 器件不容易制造具有低電阻率和晶體缺陷密度。

由于較低的熱阻抗 ?jc，Si MOSFET 在受到脈沖功率時也顯示出較小的結(jié)溫升高。與 eGaN HEMT 相比，差異可高達(dá) 25%。

由輻射或電池/負(fù)載問題引起的瞬變通常會導(dǎo)致開關(guān)立即接合/斷開以保護電路。任何串聯(lián)電感都可能產(chǎn)生 di/dt 感應(yīng)電壓尖峰，如果超過用作自鉗位的特定擊穿電壓（圖 4），則會導(dǎo)致雪崩電流流動。如果不超過開關(guān)結(jié)溫，堅固的新一代 Si MOSFET 可以恢復(fù)，在這種條件下恢復(fù)正常工作。

雖然有商業(yè) GaN 部件列出了超出其絕對最大額定值的更高允許的漏源電壓，但目前還沒有一種抗輻射。由于 GaN 中沒有這種自鉗位，漏源電壓持續(xù)增加超過額定值可能會導(dǎo)致使用壽命縮短或災(zāi)難性破壞，從而使抗輻射硅成為更堅固的選擇。值得注意的是，高達(dá) 650 V 的抗輻射硅 MOSFET，例如英飛凌最新的通過 ESA 認(rèn)證的 PowerMOS 器件，現(xiàn)已上市。

圖 4：IR HiRel 的抗輻射 R9 Si MOSFET 旨在承受更高水平的雪崩能量，如此處的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計所示。

抗輻射硅 MOSFET

IR HiRel 的抗輻射 R9 MOSFET 系列是最新一代的 Si 器件，專門針對需要高可靠性、穩(wěn)健性和可追溯性的太空級電子設(shè)備挑戰(zhàn)而設(shè)計。一個簡單的插入式替換可以重復(fù)使用已建立的、經(jīng)過飛行驗證的設(shè)計，以最小的努力提高系統(tǒng)效率，并降低高通量衛(wèi)星的每比特成本。設(shè)計人員受益于 R9 與各種柵極驅(qū)動器的兼容性、對寄生效應(yīng)的敏感性更低、更高的電流能力以及在線性模式操作中比替代技術(shù)更好的 SOA。與上一代抗輻射 MOSFET 相比，這些硅器件還為空間應(yīng)用設(shè)計人員提供了直接的性能和封裝改進，同時保持了既定和預(yù)期的可追溯性和可靠性水平。

R9 MOSFET 符合 MIL-PRF-19500 JANS 標(biāo)準(zhǔn)并直接發(fā)布到 DLA 的合格零件清單 (QPL)，提供多種封裝選項，包括新的 SupIR-SMD（圖 5）。SupIR-SMD 顯著改善了電路板和封裝之間焊點的熱應(yīng)力。1目前沒有符合 MIL-PRF-19500 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或作為 DLA 或 ESA QPL 提供的空間 GaN 選項。

圖 5：SupIR-SMD 封裝減輕了高可靠性應(yīng)用中經(jīng)常遭受的熱感應(yīng)焊點應(yīng)力。

概括

選擇正確的組件對于所有太空任務(wù)的成功至關(guān)重要，但許多因素——如任務(wù)概況、預(yù)算限制、風(fēng)險等——會影響哪些部件和技術(shù)最適合這種情況。隨著行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計師無疑會發(fā)現(xiàn) COTS 和抗輻射組件都有用處。然而，目前只有抗輻射硅設(shè)備已經(jīng)證明了經(jīng)過數(shù)十年使用的飛行證明，加上完善的質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)以及豐富的技術(shù)理解。此外，使用抗輻射硅，系統(tǒng)設(shè)計人員可以確保此類設(shè)備符合 JANS 和 QPL 標(biāo)準(zhǔn)，并且可以滿足需要這些級別可靠性的任務(wù)的 TOR 要求。為了在空間應(yīng)用中獲得最高水平的信心和可靠性，

審核編輯：湯梓紅