WBG 電源模塊提供的特性和功能比其硅同類產(chǎn)品高出幾個數(shù)量級，包括 10 倍的電壓阻斷能力、10 倍到 100 倍的開關(guān)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性（rad-hard），并提供高達 600°C 的理論結(jié)溫操作。除了較低的冷卻要求外，該技術(shù)還可以為電力系統(tǒng)提供比當(dāng)前基于硅的設(shè)備高 10 倍的功率密度。

碳化硅有望為航空航天業(yè)提供重量更輕的組件，以降低燃料消耗和排放。對于給定的電壓和電流額定值，這種材料有助于在更小、更輕的設(shè)備中實現(xiàn)更高的開關(guān)和更高的功率密度。

GaN 與硅一樣，可用于制造半導(dǎo)體器件，例如二極管和晶體管。電源設(shè)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 晶體管的功耗更低，熱導(dǎo)率更高。

在這種情況下，65-V GaN 技術(shù)正在觸發(fā)新一代雷達系統(tǒng)，這些系統(tǒng)也為一系列商業(yè)應(yīng)用開辟了機會。根據(jù) Strategy Analytics 的數(shù)據(jù)，到 2022 年，RF GaN 市場將超過 10 億美元，軍用雷達領(lǐng)域預(yù)計將成為國防領(lǐng)域 GaN 設(shè)備的最大用戶。

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(tǒng)設(shè)計中的使用正在迅速增長。與寄生電容低得多的 GaN 晶體管相比，LDMOS 晶體管具有更高的 C GS /C DS電容，這將限制帶寬，這使得在相同功率水平下更容易進行寬帶匹配。

航空航天用碳化硅

與過去幾十年相比，航空業(yè)最近經(jīng)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(yīng)用的 SiC 器件中找到了新的電源管理解決方案。碳化硅有望降低航空工業(yè)中的低重量組件，以減少燃料消耗和排放，而碳化硅 MOSFET 在較高工作溫度下的穩(wěn)定運行引起了研究人員對高功率密度功率轉(zhuǎn)換器的興趣。

然而，使用 SiC 器件的電力電子和電機驅(qū)動電路的關(guān)鍵設(shè)計問題之一是柵極驅(qū)動調(diào)節(jié)電路的管理。管理柵極時序是一項嚴峻的挑戰(zhàn)。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(wěn)定性方面達到了卓越的質(zhì)量水平，以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

Solid State Devices 推出了 SFC35N120 1,200-V 碳化硅功率 MOSFET，適用于高可靠性航空航天和國防電力電子應(yīng)用，如高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 PFC 升壓轉(zhuǎn)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(xù)漏極電流和96 μΩ（最大值）的低 R DS(ON)。該器件在 150°C 時的點火電阻最大為 190 mΩ，還具有高溫性能，允許使用更小的器件，便于并聯(lián)配置，并減少風(fēng)扇和散熱器等熱管理硬件。

另一種解決方案是1,200V 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 毫米封裝的全新一代 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）

65V 氮化鎵

雷達系統(tǒng)主要是為軍事和國防目的而開發(fā)的，也廣泛用于汽車領(lǐng)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) 和測距設(shè)備 (DME)。這些市場需要數(shù)百到數(shù)千瓦的功率放大。

功率放大等技術(shù)進步正在推動輕量級解決方案的發(fā)展。由于其卓越的特性，這些應(yīng)用中使用的主要技術(shù)是 HEMT GaN。

由于其在 L 波段及其他波段以及最近在 UHF 中的高增益和高功率水平，GaN 在許多應(yīng)用中迅速受到青睞。SiC 襯底上的 GaN HEMT 晶體管提供出色的散熱性，可實現(xiàn)長期可靠性。GaN-on-SiC 非常適合高功率脈沖應(yīng)用，其功率密度可實現(xiàn)出色的冷卻管理。出于各種原因，當(dāng)今的雷達越來越多地使用 GaN-on-SiC 射頻晶體管技術(shù)。這些包括增加的功率、高效率、更高的穩(wěn)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(yīng)用中，GaN-on-SiC 的可行性最近有所增加，尤其是在 GaN 效率與在更高頻率下工作的互補應(yīng)用中。GaN 毫米波 (mmWave) 的功率密度帶來了一套全新的設(shè)計技術(shù)，可用于實現(xiàn)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、更可靠的外形實現(xiàn)高功率千瓦級放大。例如，65-V GaN-on-SiC 實現(xiàn)了小尺寸、更低的運營成本和更低的 RF 前端復(fù)雜性。

Qorvo QPD1013是一款 150W (P3dB) 分立式 GaN-on-SiC HEMT，可在直流至 2.7 GHz 范圍內(nèi)運行。這是一款采用超模壓塑料封裝的單級、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(yīng)用（圖 3）。

圖 3：Qorvo QPD1013 的框圖（圖片：Qorvo）

與更傳統(tǒng)的解決方案相比，GaN 技術(shù)可以為最新一代 AESA 雷達提供巨大改進，旨在顯著提高檢測系統(tǒng)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，或者甚至是帶有伺服電機驅(qū)動天線的不太復(fù)雜的系統(tǒng)，都會受到磨損，并且故障風(fēng)險會隨著占空比的增加而增加。

WBG 半導(dǎo)體在下一代星載系統(tǒng)的開發(fā)中具有重要的戰(zhàn)略意義。GaN 的增強模式版本 (eGaN) 被廣泛用于空間應(yīng)用的 FET 和 HEMT 的開發(fā)。

eGaN FET 具有輻射耐受性、快速開關(guān)速度和更高的效率，這導(dǎo)致電源更小、更輕（更小的磁體和更小的散熱器尺寸，甚至在許多情況下消除了散熱器）。電源設(shè)計人員可以選擇是提高頻率以允許使用更小的磁鐵還是提高效率，甚至可以為兩者設(shè)計一個令人滿意的平衡。

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

審核編輯 黃昊宇