作者：Maurizio Di Paolo Emilio，《電力電子新聞》主編

軍事和航空航天平臺對更高功率密度和改進冷卻的日益增長的需求正在將基于硅的電力電子系統推向其運行極限。寬帶隙 (WBG) 半導體材料——碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)——提供了新一代寬帶功率器件，在這些應用中與硅基對應物相比具有巨大優勢。

WBG 電源模塊提供的特性和功能比硅同類產品高出幾個數量級，包括 10 倍的電壓阻斷能力、10 倍至 100 倍的開關速度能力以及十分之一的能量損失。它們還具有固有的抗輻射（rad-hard）特性，并提供高達 600°C 的理論結溫運行。除了降低冷卻要求外，該技術還可以為電力系統提供比當前基于硅的設備高出 10 倍的功率密度。

碳化硅承諾為航空航天業提供更輕的組件，以降低燃料消耗和排放。這種材料有助于在更小、更輕的設備中針對給定的電壓和電流額定值實現更高的開關和更高的功率密度。

GaN 與硅一樣，可用于制造二極管和晶體管等半導體器件。電源設計人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅，因為它具有小尺寸和高效率。與具有更高熱管理要求的硅器件相比，GaN 晶體管還消耗更少的功率并提供更高的熱導率。

在這種情況下，65V GaN 技術正在觸發新一代雷達系統，這些雷達系統也為一系列商業應用開辟了機會。

作為橫向擴散 MOSFET (LDMOS) 組件的替代品或替代品，GaN 組件在雷達系統設計中的使用正在迅速增長。LDMOS晶體管具有更高的C GS /C DS電容，這將限制帶寬，與具有低得多的寄生電容的GaN晶體管相比，這使得在相同功率水平下更容易進行寬帶匹配。

用于航空航天的 SiC與過去幾十年相比，航空工業最近經歷了快速增長。新的航空航天世界在用于電源和電機控制應用的 SiC 器件中找到了新的電源管理解決方案。碳化硅有望在航空工業中使用重量輕的組件來減少燃料消耗和排放，而碳化硅 MOSFET 在更高工作溫度下的穩定運行也引起了研究人員對高功率密度功率轉換器的興趣。

然而，使用 SiC 器件的電力電子和電機驅動電路的關鍵設計問題之一是柵極驅動調節電路的管理。管理門控時序是一項嚴峻的挑戰。新的 1,200-V SiC MOSFET 在高溝道遷移率、氧化物壽命和閾值電壓穩定性方面達到了出色的質量水平，以應對這一挑戰。

Solid State Devices 推出 SFC35N120 1,200-V SiC 功率 MOSFET，用于高可靠性航空航天和國防電力電子應用，如高壓 DC/DC 轉換器和 PFC 升壓轉換器。

這些 N 溝道 MOSFET 在 20 A 和 25°C 下提供 26 A 至 30 A 的最大連續漏極電流和最大 96 μΩ 的低 R DS(ON)。該器件在 150°C 時的最大點火電阻為 190 mΩ，還具有高溫性能，允許使用更小的器件，便于并行配置，并減少風扇和散熱器等熱管理硬件。

另一種解決方案是 1,200-V CAS325M12HM2 SiC 電源模塊，配置為 SiC 半橋拓撲，來自 Cree 公司 Wolfspeed。它代表了采用高性能 62 毫米封裝的新一代全 SiC 功率模塊。該模塊使用 1,200-V C2M SiC MOSFET 和 1,200-V 肖特基二極管（圖 2）。

圖 2：CAS325M12HM2 SiC 電源模塊（圖片：Wolfspeed）

GaN at 65 V雷達系統主要用于軍事和國防目的，也廣泛用于汽車領域。最常見的軍用雷達市場是超高頻 (UHF) 雷達、有源電子掃描陣列 (AESA) 雷達、敵我識別 (IFF) 和距離測量設備 (DME)。這些市場需要成百上千瓦的功率放大。

功率放大等技術進步正在推動輕量級解決方案的發展。這些應用中使用的主要技術是 HEMT GaN，因為它具有卓越的性能。

由于其在 L 波段及更高波段以及最近的 UHF 波段的高增益和高功率水平，GaN 在許多應用中迅速獲得了青睞。SiC 襯底上的 GaN HEMT 晶體管可提供出色的散熱性能以實現長期可靠性。GaN-on-SiC 非常適合高功率脈沖應用，其功率密度可實現出色的冷卻管理。出于各種原因，當今的雷達越來越多地使用 GaN-on-SiC 射頻晶體管技術。這些包括增加的功率、高效率、更高的穩健性、更低的功耗、更小的尺寸、頻率可用性、更高的通道溫度和更長的壽命。

在空間應用中，GaN-on-SiC 的可行性最近有所提高，特別是在 GaN 效率與更高頻率工作相輔相成的應用中。GaN 毫米波 (mmWave) 的功率密度帶來了一套新的設計技術，可用于實現更高水平的熱補償。

Qorvo Inc. 提供各種額定功率的晶體管，以更小、更可靠的外形尺寸實現高功率千瓦級放大。例如，65V GaN-on-SiC 實現了小尺寸、更低的運營成本和更低的射頻前端復雜性。

Qorvo QPD1013 是一款 150W (P3dB) 分立式 GaN-on-SiC HEMT，工作頻率范圍為直流至 2.7 GHz。這是一款采用包覆成型塑料封裝的單級、無與倫比的功率放大器晶體管。QPD1013 的高功率和寬帶寬使其適用于許多不同的應用（圖 3）。

圖 3：Qorvo QPD1013 的框圖（圖片：Qorvo）

與更傳統的解決方案相比，GaN 技術可以極大地改進最新一代的 AESA 雷達，旨在顯著提高檢測系統的可靠性、準確性、性能和配置靈活性。例如，在后者中，無源電子掃描陣列 (PESA) 雷達，甚至是帶有伺服電機驅動天線的不太復雜的系統，都會受到磨損，并且隨著工作周期的增加，故障風險也會增加。

WBG 半導體在下一代星載系統的開發中具有重要的戰略意義。GaN 的增強模式版本 (eGaN) 廣泛用于開發用于空間應用的 FET 和 HEMT。

eGaN FET 可提供輻射耐受性、快速開關速度和更高的效率，從而實現更小、更輕的電源（更小的磁體和更小的散熱器尺寸，甚至在許多情況下無需散熱器）。電源設計人員可以選擇是增加頻率以允許使用更小的磁體，還是提高效率，甚至為兩者設計一個令人滿意的平衡點。

eGaN FET 比等效的 MOSFET 小。它們提供更快的瞬態響應，這也可以減小電容器尺寸。

用于空間任務、高空飛行或戰略軍事應用等關鍵應用的電源設備必須能夠抵抗由電離輻射引起的故障和故障。與基于硅技術的傳統抗輻射器件相比，商用 GaN 功率器件的性能顯著提高。

審核編輯 黃昊宇