太空中的GaN

日期:2019-11-20

与传统半导体技术相比,GaN技术具有许多优势
作者:Steve TaranovichEta Kappa Nu成员和IEEE Life高级成员
 
以Space X和Blue Origin为首的商业航天部门,加上Northrop Grumman和波音(Boeing)等公司,赋予了新的生命,加速了美国宇航局(NASA)的火星之旅计划。Artemis计划的增加,将在20世纪20年代中期建立月球基地,用于第一段探索和采矿,也将成为20世纪30年代火星之旅的门户。美国宇航局现在是一个拥有Space X、Blue Origin和波音居住在佛罗里达州肯尼迪航天中心的太空港。
在这篇文章中,我想讨论航天器中一个经常被遗忘或很少被注意到的能够进入外层空间的部分——航天器中的电源管理。宽禁带半导体如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)和金刚石,有望成为自发现硅以来未来电子元件最有前途的材料。这些技术根据其设计,在功率(DC和微波)、辐射不敏感性、高温和高频操作、光学特性甚至低噪声能力方面具有巨大优势。因此,宽禁带器件对下一代星载系统的发展具有重要的战略意义。
我对宽禁带半导体,特别是增强型氮化镓,感到特别兴奋,在这篇文章中,它是空间中这些关键电源的首选电源驱动器。我将解释为什么GaN属于与空间相关的电源解决方案,并将是电源中与SWaP相关的最重要的元素之一:尺寸、重量和功率效率,这是空间飞行器中三个最重要的元素,当然,它们是可靠的(在这种情况下,我们不能停在路边寻求帮助解决太空中的故障)。
电源通常比航天器上的大多数其他设备都重。GaN功率器件可以实现作为功率晶体管的最佳效率,并且在功率管理体系结构中具有最小的尺寸,因为这些功率器件以非常高的频率运行,从而减小了设计体系结构中功率磁性元件(包含增加重量的铁/金属芯的变压器和电感)的尺寸。更轻的重量也意味着在发射时为了逃避地球的引力而减少燃料消耗;这等于降低了成本。
GaN还具有EMI的好处,因为减少寄生导致在每个开关周期中这些寄生体存储和释放的能量更少。这种电路结构占地面积较小,有助于设计者提高回路电感,回路电感可以作为电路板上的发射和接收天线。
 
航天器以及月球和火星表面的主要动力:MMRTG
一个多任务放射性同位素热电发电机现在为美国宇航局的火星2020探测器以及之前大多数火星探测器提供动力。MMRTG还为许多现在和将来的航天器提供主要动力。无论是在航天器上还是在行星/月球上,这都将是产生持久动力的主要来源之一。
 
另一个主要能源:太阳能电池板
另一个主要的能源将是太阳,它将能量传送到一系列的光电池。太阳能电池板收集太阳的能量并储存在电池中。这是给卫星供电的首选方法。GaN擅长于太阳能电池板的输出和电池充电,以及将负载点(PoL)转换器中的电压转换为航天器上的仪器和其他系统的电源。见图1。
 

1:部署在卫星上的太阳能电池板(图片由美国宇航局提供)
 
国际空间站(ISS)使用镍氢电池来支撑其太阳能电池板。另一个较老的火星探测器Spirit也使用太阳能电池。
火星洞察号着陆器
火星洞察号着陆器有两块直径为7英尺的太阳能电池板。它们的能量储存在两个23安培小时的锂电池中,在火星之夜为太空飞行器提供动力。在这个应用中,GaN也在其中。
500W太阳能空间微电网
该设计着重于表征基于太阳能的微电网的四个参数:电池电压、PV最大功率、PV最大功率点电压和每个字符串的面板数量。最后,最终的优化指标是日平均可交付功率与系统总质量之比(W/kg)。
研究了一系列适用于该系统的DC-DC微转换器,包括降压、升压、降压-升压和非逆变降压(这种拓扑结构被证明是最佳的候选拓扑)。见图2。
 

 
2400W DC/DC MPPT非逆变降压-升压(NIBB)转换器样机
 
分布式最大功率点跟踪(DMPPT)架构可以与各种功率转换器一起使用。本设计选用高效功率转换的eGaN®FET或其合作伙伴Freebird半导体的eGaN®FET作为DC/DC转换器开关,因为其对高辐射条件的适应性不同于硅器件。高效率也是选择GaN的原因之一。
功率调节
系统中的功率调节是以最佳方式进行控制的最关键任务之一,以便太阳能发电机或MMRTG、电池和负载之间的功率交换是有效的。为了实现这一点,输送到负载的功率必须保持在这些负载能够承受的电压范围内。
太阳能电池阵的适当尺寸必须是一个主要目标,因为在卫星设备供电期间需要补充电池。设计者必须确保电池不会经历电流或电压相关的过充。能够断开一些不必要的航天器功能,从而避免电池完全放电,对航天器的安全至关重要。
分布式电源架构(DPA
使用DPA驱动现代高速数字处理器、FPGA和ASIC可以帮助提高系统效率,并从寄生阻抗的负面影响中获得动态响应。中间总线转换器(IBC)具有良好的瞬态响应,其次是负载点(PoL)调节器,将有助于在各种负载波动下创建稳定的电源结构,特别是在负载电压随电流需求不断增加而降至1VDC以下时。
中间总线转换器(IBC
IBC通常是MMRTG或太阳能电池板阵列之后的第一个转换级,可以稳压或不稳压。IBC通常是一个DC/DC转换器,典型的航天器电源总线输入为28VDC。设计人员必须确定IBC输出源的稳压是否足够好,同时还要检查PoL输入范围的需要。
负载点(PoL)转换器
这就是GaN在负载下发挥作用的地方。通常会有许多具有不同输出电压的PoL,这些输出电压是负载所需要的,最终由空间合格的GaN功率晶体管直接驱动。
看看2019年的数据中心动力如何在地球上展示这样一种架构;然而,这种架构也将应用于太空。
 
eGaN电力电子技术进入太空:空间电力需求
大型航天器
 
电信卫星或国际空间站(ISS)等大型航天器需要数十千瓦的功率。GaN设计可以轻松处理这个问题。
卫星
卫星上的电力负荷变化很大,这取决于在特定时间运行的仪器/子系统。
卫星中的电力系统必须受到保护,以防供电设备发生故障,这些故障可能会使卫星性能下降,甚至使卫星停止工作,特别是在短路期间。这是一个集中配电架构,将有断路器或保险丝,以消除不受控制的电流浪涌。在航天器上,保险丝和电子断路器都是常用的。
GaN通常用于卫星的关键领域是射频和开关。空间界已经注意到,增强型GaN-FET现在已经具备了集成GaN-FET驱动模块(参见本文的Freebird一节)。
卫星需要电池
卫星的轨道可能会挡住地球、另一颗行星或月球后面的太阳。由于这个原因,卫星和航天器需要充电的二次电池来保持动力。这些电池可能是发射装置分离后,直到太阳能发电机被部署并正确指向太阳时唯一可用的电源。
在图3中,为此类空间应用提出了双向DC/DC拓扑。
 

3:太阳能电池板通过中间双向DC/DC转换器向航天器负载提供电力,以便随时向负载提供连续的电力流。
 
Weinberg的传统拓扑结构,通过这种拓扑结构,通过添加开关器件(GaN在这里是完美的)和二极管来创建双向拓扑结构。这种设计有两种工作模式:升压(由Weinberg拓扑创建)和降压(作为传统电路设计)。这种设计使得一个更小的单元具有更高的能量密度和更低的重量。见图4。
 

4Weinberg转换器的双向斩波电路
 
小型卫星和立方体卫星
立方体卫星通常只需要几瓦的功率。
小型卫星更大一些,需要更多的能量,在低地球轨道(LEO)运行,可以在世界各地提供低成本的互联网接入。这些卫星有3到5年的寿命。GaN非常适合这些系统。
eGaN FET具有抗辐射能力强、开关速度快、效率高的特点,可以提供更小、更轻的电源(在许多情况下,更小的磁学元件和更小的散热片尺寸,甚至可以消除散热片)。电源设计人员可以选择增加频率,以允许更小的磁铁或提高效率,或设计一个令人满意的两者平衡。eGaN FET也比同等的场效应晶体管小。增加开关频率也会加快反馈回路的速度。更快的瞬态响应也可以减小电容器的尺寸。
允许的最大栅极电压为6V,但在卫星应用中被降到5.0V。
探测器
火星探测器2020
 

5:太阳能为火星2020号宇宙飞船9个月的火星之旅提供动力,但在火星表面,由于极端的温度条件,MMRTG将是主要的能源,也需要使用热泵。(图片由美国宇航局提供)
火星上的太阳能加热对探测器的电子设备来说是困难的,因为它需要大量的能量。这项任务计划持续一个火星年(约687个地球日),但正如我们在过去所看到的,探测器通常远远超出他们的计划任务。
MMRTG的使用寿命为14年,提供110W的电力(其中60W用于火星之旅的航空电子设备),有两个可充电锂离子备用电池,每个电池的能量容量为43Ah。
探测器的主要车载电源基本上是22-36VDC在运行,是一个额定28VDC。由于GaN的高效率和较小的物理尺寸,在这种类型的功率转换器中,GaN具有重量轻、浪费热量少的优点。见图6。
 

 
6:蓝色圆圈是Mars2020 Rover MMRTG 电源(图片由NASA提供)
 
欧洲航天局(ESA
ESA认识到,空间电力系统需要发电、调节、储存、分配和转换。ESA正大力投资GaN技术。
全球支持技术计划(GSTP
基于GaN技术的高电压、高开关速度DC/DC转换器是下一代电力系统的研究热点。这项活动的主要目标是开发高性能、空间兼容的增强型GaN功率开关晶体管,同时建立欧洲工业制造路线。
 
国际空间站(ISS)电源
 

7:国际空间站电力通道(图片由美国宇航局提供)
 

 
8:可以看到主总线交换单元。这个装置曾经在国际空间站上出现过故障——这对于设计师们学习如何改进和提高空间设计的健壮性是非常必要的(图片由美国宇航局提供)
来自太阳的能量(太阳能)由国际空间站太阳能电池阵列收集,并大致由顺序并联单元(SSU)稳压,然后由直流(DC)到直流变换器单元(DDCU)严格稳压,并存储在锂离子电池中。
国际空间站(ISS)上的电力系统(EPS)为航天器的持续、可靠运行提供了所有至关重要的电力。美国国家航空航天局格伦研究中心的空间操作部门正在领导EPS硬件的持续工程和子系统集成。Glenn还负责将EPS与国际空间站国际合作伙伴的要素整合。
EPS由许多称为轨道替换单元(ORU)的硬件组成。每一个不同的ORU都被认为是整个EPS的一个子系统,宇航员可以通过机器人或舱外活动(EVA)来替换它们。这些组件共同为国际空间站提供发电、配电和储能。
DC-DC转换器单元以恒定的124.5 VDC向二次电源系统供电,使一次母线电压跟踪太阳能电池阵列的峰值功率点。在这种设计中,200V和350V的eGaN场效应晶体管是完美的。
从2016年开始,镍氢电池ORU被锂离子(锂离子)电池取代。与镍氢电池相比,每个锂离子电池重430磅,每个转接板重65磅,重量减轻200磅。
可靠性
eGaN®器件在实验室测试和客户应用(如用于自主汽车的激光雷达、4G基站、车辆前照灯,特别是用于本文的卫星)中都显示出非常高的可靠性,至今已有九年多。更多详细信息请参见eGaN FET可靠性。
辐射硬度
我很高兴采访了Jim Larrauri首席战略官,他于2015年共同创立了Freebird。
他告诉我,他的公司名称就像一颗卫星,有时被称为“一只被释放到太空提供服务的鸟”。
早在2016年,他就采用了Efficient Power Conversion(EPC)的商业增强模式GaN(eGaN)产品,并消除了商业上存在的变异,并继续开发太空技术。
他们还采用了增强型GaN,并提供了封装结构和电路结构,专利由Freebird半导体持有,这使他们处于战略地位,其多功能电路包在Freebird的模块部分作为eGaN功率晶体管的驱动器。尤其是这种封装,其设计目的是帮助最终用户成功地从传统的硅基半导体过渡到高可靠性性能GaN领域。Freebird核心策略的一部分是提供构建块解决方案,使eGaN HEMT的实现更加成功,从而消除设计过程中的猜测。这些成本较低、易于实施、模块化的解决方案用于星载和运载火箭动力系统。该模块为终端用户提供了集成到一个单一模块的电路灵活性:从半桥配置到两个“独立”的低和高侧开关,全部并入和使用“GaN驱动GaN”技术。
发射成本需要根据具体运载火箭和供应商的不同,从每次发射约2亿美元降低到2.5亿美元,达到5000万美元的目标,以便在成本上与Delta或Atlas甚至SpaceX低成本回收装置等运载火箭具有竞争力。此外,在卫星行业,卫星的成本从5亿美元到10亿美元不等;这些成本也需要降低。
现在也有更多的大型近地轨道(LEO)星座卫星传输系统用于数据传输。这些系统有电力预算,需要一种技术来支持这些需求。eGaN器件是由Freebird在SiC上选择的,因为SiC不像eGaN那样具有足够的基线辐射硬度保证能力。
增强模式GaN不是本机的Rad-Hard,它必须制作Rad-Hard。然而,由于其对总电离剂量(TID)的免疫性,它在技术上是耐辐射的。但是从重离子单粒子效应(SEE)的角度来看,你需要通过设计来控制和调整这个过程,以从GaN获得所需的辐射硬度。已经对GaN的许多其他供应商设计过程进行了研究,证明在额定电压下,它们不能通过SEE对(Au)金重离子标准的要求。还有其他一些较轻的重离子,你可以用它们成功地轰击这项技术,模拟替代性的星载应用环境,但只有你能通过金标准,在额定电压下,你才能获得真正的坚硬产品能力。Freebird Semiconductor独特地针对MIL-STD-750,方法1080对所提供的eGaN产品的“每个晶圆”执行100%辐射硬度保证,在典型的额定Au(15 MeV光束)下进行,能量=2365 MeV时线性能量转移(LET(Si))~84.6,范围=124μm,典型的3e5/1e7通量为标准。由于所有Freebirds模块化产品都采用了“GaN驱动GaN”技术,因此辐射硬度保证谱系贯穿整个产品组合。
eGaN器件是一种高迁移率电子晶体管(HEMT),它证明了自己是在空间中替代Rad-Hard MOSFET的抗辐射市场的优秀候选者。MOSFET是从军事支援计划到小型卫星系统的现有供应基地。他们都需要坚硬的mosfet。迫切需要克服的问题是成本(基本上只有一个主要的单一来源供应商拥有优秀的产品,还有一些次级供应商)。然而,MOSFET是一种“老”技术,具有较大的模具尺寸和性能优点(FoM=Rds(ON)*Ciss),远高于eGaN FET(降低优值可以提高效率)。
硬质MOSFET的导通电阻远高于相同芯片尺寸的eGaN FET。Freebird-Rad-Hard-eGaN-HEMT器件是一种主要的载流子器件,在这种载流子器件中,通道通过二维电子气(2DEG)进行传输,通道内没有电荷存储。eGaN开关速度仅由栅极和漏极节点的R和C决定开关时间可以达到亚纳秒级,因此在使用这些高性能器件时,必须在开发的设计和PCB布局阶段采用不同的思路。
驱动一个MOSFET或eGaN-HEMT是非常有利于eGaN的栅电荷减少10倍至40倍,超过最好的Rad-Hard MOSFET。
GaN HEMT在尺寸指标上也超过了MOSFET。这些器件可以直接安装到陶瓷基板上(不需要外部封装),从而消除了线键。在我们的eGaN设计中,消除线键可以使eGaN HEMT的真实速度性能得以体现,因为线键会带来电感,这会导致各种瞬态相关问题,如电压超调和电流振铃。
在空间界做生意意味着每次都能为市场部门提供一种辐射强度有保证的产品。这是GaN技术在星载应用中要克服的最初障碍。Freebird和EPC可以声明并证明他们可以提供EPC设计和过程的抗辐射版本,这是一个专有的采购协议的结果。GaN商用产品本身不能主张并提供这一事实。
当今世界上有许多空间社区应用和项目,如全球范围内不断变化的互联网需求,这些项目使用大型LEO星座;空中客车OneWeb就是其中一个项目,其900颗卫星需要在太空中运行。此外,还有Maxar Technologies(在美国宇航局阿耳特弥斯月球探测计划的第一步中,美国宇航局于2019年5月宣布选择Maxar Technologies,以开发和演示美国宇航局月球网关的动力、推进和通信能力)、诺斯罗普格鲁曼公司(Northrop Grumman)或霍尼韦尔公司(Honeywell)。这些公司对卫星的需求有一个共同点:低成本的电力输送系统。GaN现在被专门用于这些卫星系统中,几乎是在整个卫星系统的配电单元(PDU)中。每家卫星公司都有自己的PDU、太阳能电池板制造商、电机控制器等,它们都需要高效可靠的供电。
Freebird为PDU的实现提供了基本的电源设备模块。这些PDU系统可以使用分立封装的eGaN-HEMT,甚至Freebird片芯适配器(FDA)设备,这些设备可以形成更高层次PDU的基本元素。Freebird采用高可靠性的eGaN FET芯片,并为eGaN FET创建驱动电路。结果是一个完整的,完全保证辐射硬化功率部分。设计师现在可以使用抗辐射的积木来创建他们的最终PDU系统,使用的是标准的抗辐射产品,而不是定制设计的产品。
Freebird DC/DC PoL模块化转换器构造块
Freebird GAM适配器系列是模块化构建块,包含高可靠性小信号eGaN FET,配置为高速门驱动器,以及表面安装封装尺寸为0.75“x 0.38”x 0.125的大功率eGaN电源开关(即GaN驱动的GaN),单门驱动器为1.00”x 0.75“x 0.125”更高级别的功能。这些较大的模块可以有低压侧驱动器、高压侧驱动器以及一个完整的多功能模块,其中包含一个半桥,即FBS-GAM02中所述的负载点(PoL)的功率级。见图9。
 

 
9 FBS-GAM02 10A/50V多功能模块框图,由除二极管、电容器和电阻器以外的所有eGaN器件组成。这些器件中不使用硅基开关或单片集成电路来消除低剂量率辐射效应等。(图片由Freebird Semiconductor提供)
 
所有FBS-GAM0X器件都包含Freebird Semiconductors飞行验证美国专利10122274 B2电路,开创性的eGaN驱动eGaN技术块,用户可以从中创建多种电源:正向、反向、升压、全桥、Buck、Weinberg、Cuk、非隔离、一次侧隔离或二次侧隔离。
GAM离散和模块化产品可用于除电源以外的许多应用,如执行器、电源开关、电爆管驱动器、负载卸载开关、单相或三相电机驱动器。
当今的空间界主要在电子线路方面的数字领域工作。现在使用的每一个FPGA,每一个ASIC,每一个处理器都是有效的数字。因此,我们可以将eGaN视为一个数字电源,+5V逻辑电平驱动的前端功率晶体管器件!
尽管空间界的变化缓慢,但事实证明,eGaN器件作为一项坚实的空间技术已经很有吸引力,并且正在逐渐被考虑和接受。这种接受的很大一部分是,Freebird使用MIL-PRF-19500作为其eGaN离散技术的空间级标准设备鉴定方法的基础。MIL-PRF-19500在高可靠性工业中具有悠久的历史,可确保有效筛选和符合包括MOSFET和IGBT在内的硅半导体晶体管。
为了证明他们在高可靠性方面的努力,坚硬空间电子竞技场Freebird拥有他们的eGaN HEMT和模块化设备,目前在太空中成功飞行,为这项技术积累了宝贵的操作历史!他们的商业空间产品目前以其独特的、专有的环氧树脂覆盖模压GAM(GaN适配器模块)技术封装提供(见图10)。
 

10FBS-GAM02 10A/50V多功能模块(左)和FBS-GAM01-PSE eGaN HEMT门驱动器(右)与US Dime的比较。(图片由Freebird Semiconductor提供)
空间应用中使用的许多电源都是硬开关结构。Freebird最慢的商业空间eGaN多功能模块能够运行高达500kHz(完全降额)和1MHz(功率/热降额),其独立驱动器能够达到3Mhz+的速度。
在辐射硬度保证转换产品领域,行业参与者正在开发进一步的进展,例如SET集团(与美国宇航局合作),其创始合伙人Raul Chinga Alvarado博士提供了利用Freebird Semiconductor Rad Hard eGaN器件技术的高功率、高频、宽范围LLC谐振转换器能力的例子:
SET集团公司专业从事高密度功率转换器的设计和开发,利用最先进的技术。截至2019年,SET集团已实现模块比功率15-20kW/kg。
2017年,SET集团开始与美国航天局合作,设计、制造和演示一种基于氮化镓(GaN)的高功率、高频、宽范围LLC谐振转换器(GaN LLC),能够处理大功率和高频操作。GaN-LLC转换器工作在95V-150V的输入电压下,可以输出600V-1.8kV,特别是利用空间级Freebird Semiconductor的GaN-HEMT(额定功率高达300kRad),并使用一种新的添加剂制造的热管理解决方案。
 
 

 
11abSET group 1-kW GaN LLC转换器(图片由SET group.us提供)
 
LLC拓扑提供了高效率,同时也具有处理宽输入电压范围的优点。与Freebird Semiconductor 器件和美国宇航局合作,SET集团已成功开发了一个1.25千瓦的GaN LLC转换器,其半砖形(2.4英寸x 2.3英寸x 0.5英寸)的输入电压为70V–150V,输出电压为200–600V。SET集团目前正在继续推动DC-DC功率转换拓扑的限制,利用Freebird的空间级GaN器件,用于新的和现有空间应用。
https://epc-co.com/epc
 

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