SiC 器件在衛(wèi)星電源系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析

康 慶，李 峰，邢 杰，章 玄

（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

隨著電推進技術(shù)的發(fā)展，電推進技術(shù)不僅用于航天器位置保持（如600 W/1.5 kV QinetiQ T5 離子推進器已被廣泛用于地球靜止軌道GEO（geostationary earth orbit）通信衛(wèi)星），也逐步用于變軌控制，例如5 kW 的T6 已被應(yīng)用在ESA（European Space Agency）的BepiColumbo 深空探測任務(wù)[1]。隨著宇航任務(wù)對航天器功率需求的增加，航天器電源系統(tǒng)向更高電壓供配電方向發(fā)展，以降低傳輸電纜的熱耗[2-3]。此外，300 V 母線的航天器使得直接驅(qū)動電推進功率單元成為可能，太陽電池陣直接與霍爾推力器相連，不需要中間電推進處理單元PPU（power processing unit），可以大幅節(jié)省重量并提高效率。

以硅（Si）為主要材料的功率半導體器件是航天器電力電子裝置的重要組成部分，是影響航天器電力電子裝置性能、可靠性的關(guān)鍵因素。電力電子裝置應(yīng)更輕、更緊湊、更高效、更可靠。然而，由于材料限制，傳統(tǒng)硅基功率器件在許多方面已接近甚至達到了材料的本征極限，如電壓阻斷能力、正向?qū)▔航?、器件開關(guān)速度等，尤其在高頻和高功率領(lǐng)域更顯示出其局限性，如圖1 所示。

圖1 功率半導體器件特性Fig.1 Characteristic of power semiconductor device

目前研究人員逐漸把目光轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽w器件，如GaN，SiC 等。相比較而言，GaN 更適合在低中壓范圍內(nèi)的高頻應(yīng)用中，SiC 更適合于高壓、大功率和高溫應(yīng)用環(huán)境。GaN 和SiC 的電壓界限一般為600 或900 V[4]。SiC 技術(shù)的成熟度和魯棒性都強于GaN。例如：SiC MOSFET 的Vgs和Vds范圍更寬，結(jié)溫可以高達幾百攝氏度[5]。因此，SiC 在中高壓應(yīng)用中具有很大潛力。

1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀與趨勢

1.1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀

衛(wèi)星電源系統(tǒng)一般由太陽電池陣、電源控制器、蓄電池、配電器以及各單機相應(yīng)DC/DC 變換器和電纜網(wǎng)組成[6]。

目前，主流國際通信衛(wèi)星中，歐洲的Alpha BUS、美國Boeing 公司的702SP、洛馬公司的A2100以及我國東方紅四號、東方紅五號等平臺的整星功率可達10～20 kW 以上。受限于宇航可用器件特別是MOSFET 的能力限制，衛(wèi)星電源母線電壓一般為28、42 和100 V。母線電壓最高的國際空間站母線電壓為127 V。

PPU 是電推進系統(tǒng)的主要組成部分，其功能是將航天器的母線電壓轉(zhuǎn)換為推力器啟動、工作所需的電壓和電流，同時具備故障保護與恢復(fù)功能，可以接收上位機指令執(zhí)行開關(guān)機動作，并將PPU 運行數(shù)據(jù)以遙測的形式發(fā)送給上位機。

典型的離子PPU 由屏柵電源BS（beam supply）、加速電源、陽極電源、陰極加熱電源、陰極點火電源、中加熱電源、中觸持極電源以及中點電源組成。其中，屏柵電源輸出功率占總功率的80%以上，輸出穩(wěn)態(tài)工作電壓在1 000 V 以上。典型的霍爾PPU由陽極電源、勵磁電源、加熱電源和點火脈沖電源組成。其中，陽極電源輸出功率占總功率的90%以上，穩(wěn)態(tài)工作電壓在300 V 以上。屏柵電源和陽極電源的設(shè)計是高壓大功率離子PPU 和霍爾PPU 設(shè)計的關(guān)鍵和核心。

1.2 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

新一代的衛(wèi)星將需要越來越多的電力，不僅要提升通信、對地觀測和科學服務(wù)，還需要為大功率電推進系統(tǒng)供電，提高衛(wèi)星電壓是減少未來航天器體積和重量的關(guān)鍵。

歐盟在H2020～H2024 項目的支持下，正在開展7.5 kW/650 V 和10×20 kW/540 V 推力器組合樣機研制。NASA 的太陽能電推進項目計劃于2019年實現(xiàn)13 kW 霍爾電推進，2020 年實現(xiàn)50 kW 霍爾電推進，2030—2040 年實現(xiàn)200～500 kW 霍爾電推進。電推進電源系統(tǒng)發(fā)展路線圖如圖2 所示。

圖2 電推進電源系統(tǒng)發(fā)展路線圖[7]Fig.2 Road map for electric propulsion system[7]

2 SiC 器件的現(xiàn)狀及在衛(wèi)星電源系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 SiC 器件的特點

SiC 已應(yīng)用于功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）、混合電動車、風機、軌道機車、不間斷電源UPS（uninterruptible power supply）和工業(yè)電機驅(qū)動中[8-11]。由于其在惡劣環(huán)境下的優(yōu)越性能是Si 和GaAs 等傳統(tǒng)半導體所無法比擬的，一旦其關(guān)鍵技術(shù)解決，則可更廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、火箭、導彈、雷達、戰(zhàn)斗機、通訊、海洋勘探和石油鉆井等軍事和民用系統(tǒng)。因此，SiC 成為國際上新材料、微電子、光電子和能源領(lǐng)域的研究熱點，美國國家航空航天局NASA（National Aeronautics and Space Administration）、歐洲航天局ESA（European Space Agency）、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）相繼開展了SiC 基功率器件的空間性能與電源設(shè)計等研究。

單極性功率器件正向開啟時的導通損耗為[12]

式中：Ron為器件的導通電阻；UB為擊穿電壓；ε0、εr為介電常數(shù)；μ 為載流子遷移率；Ec為材料的臨界擊穿電場。由式（1）可以看出，要實現(xiàn)低導通電阻就需要提高材料的臨界擊穿電場，即選擇寬禁帶的半導體材料。

與傳統(tǒng)Si 基功率半導體器件相比，寬禁帶功率半導體器件具有寬禁帶、高導熱性和高擊穿電場等特點，對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 3 種材料的對比Fig.3 Comparison among three materials

因此，SiC 功率半導體器件具有如下Si 基器件無可比擬的電氣性能[13-16]。

（1）高耐壓。4H-SiC 的臨界擊穿電場可達2MV/cm，耐壓能力是傳統(tǒng)Si 器件的10 倍，因此可減小功率器件的尺寸。

（2）易散熱。SiC 材料的熱導率是Si 材料的3 倍，散熱更容易，這就意味著SiC 器件可以工作在更高的環(huán)境溫度下。目前已有研究證實，SiC 肖特基二極管在361 ℃的工作結(jié)溫下可正常工作超過1 h[16]。

（3）低導通損耗和開關(guān)損耗。SiC 材料的電子飽和速度是Si 的2 倍，使得SiC 器件具有極低的導通電阻，僅為Si 器件的1/100，導通損耗低。SiC 器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，可大大提高實際應(yīng)用的開關(guān)頻率，可達Si 器件的10 倍。

（4）強抗輻射能力。由于SiC 的寬禁帶和高的臨界移位能（45～90 eV），使SiC 器件具有更優(yōu)的抗輻射能力，可以在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作。

2.2 SiC 器件在衛(wèi)星電源系統(tǒng)的應(yīng)用

2.2.1 太陽電池陣

巴塞羅那CNM-CSIC 電力集團與Alter Technology 合作開發(fā)了適用于宇航的SiC 功率二極管，其特點是工作溫度范圍非常寬，可以達到-170～300 ℃[21]。SiC 功率二極管的內(nèi)部器件結(jié)構(gòu)不同于標準商用SiC 二極管，對半導體芯片的互連和封裝進行了優(yōu)化，充分利用了SiC 的內(nèi)在性能。該研究中，Alter Technology 公司負責電氣、環(huán)境和可靠性測試，其研究反饋有助于優(yōu)化器件的設(shè)計和制造過程。由于這些設(shè)備的操作范圍并不常見，所以沒有任何性能標準可供使用。Alter Technology 和ESA 專家已經(jīng)完成了當前ESA ESCC 標準的修改，設(shè)計并開展了一些具體的篩選和資質(zhì)認證，將作為未來定義新型高溫器件測試標準。

SiC 功率二極管專門用于保護安裝在衛(wèi)星和深空探測器的太陽能電池陣列，目前，第一批已用于ESA 的BepiColombo 和Solar Orbiter 兩個任務(wù)中。圖4 所示器件成為ESA 首選器件清單EPPL（European preferred parts list）的第一個西班牙器件[17]。

圖4 Bepi Colombo 探測器用SiC 肖特基隔離二極管Fig.4 SiCSchottky blocking diode used in Bepi Colombo probe

2.2.2 電推進電源

隨著以Boeing 702SP、歐洲Eutelsat-172B 為代表的全電推平臺采用電推進實現(xiàn)變軌、南北位置保持以及動量輪卸載，電推進已經(jīng)成為未來衛(wèi)星、深空探測的主流配置。PPU 的技術(shù)指標取決于推力器，PPU 電壓范圍從霍爾推力器的350 V 到大功率離子推力器的1.9 kV，功率范圍從數(shù)百W 到3.0～6.5 kW[18-19]。SiC 器件在PPU 中高壓、高效率應(yīng)用中非常有優(yōu)勢。

面向太陽能電推進的任務(wù)需求，NASA 格林研究中心GRC 和噴氣實驗室JPL 聯(lián)合開展了15 kW PPU 研究，其陽極電源拓撲和輸出效率如圖5 和圖6所示。PPU 采用2 個7.5 kW 模塊并聯(lián)，利用SiC MOSFET 和二極管實現(xiàn)PPU 陽極電源300～400 V輸出，效率可達97%，高于現(xiàn)有Si 基PPU 的94%。

圖5 7.5 kW 電源處理單元陽極電源拓撲[20]Fig.5 Topology for anode power supply of 7.5 kW PPU[20]

圖6 7.5 kW 電源處理單元陽極電源輸出效率[30]Fig.6 Output efficiency of anode power supply of 7.5 kW PPU[30]

為了實現(xiàn)10～80 kW 功率可擴展的PPU 陽極電源，NASA 提出一種多相Boost 拓撲硬開關(guān)控制策略，通過常用的SiC 基MOSFET 進行升壓，并對SiC 基MOSFET 進行HTGB、HTRB、開關(guān)損耗以及輻照影響分析。針對CREE 公司的第一代和第二代設(shè)備使用HTGB 和HTRB 進行評估，測試電路如圖7 所示。結(jié)果表明：門極氧化物和漏極側(cè)結(jié)在評估范圍內(nèi)具有足夠的穩(wěn)健性，與制造商提供的規(guī)格相符；在高溫下，SiC 功率MOSFET 的氧化物和結(jié)點具有長期可靠性，對于要求高溫、長壽命、高可靠的應(yīng)用場合具有非常大的應(yīng)用潛力[21]。

圖7 測試電路[22]Fig.7 Test circuits[22]

高壓SiC 二極管有望用于高壓模塊的整流，高壓三極管可用于高壓模塊。后期將在Texas A&M大學開展重離子輻照實驗[23]。

為了滿足ESA 對電推進日益增長的需求，德國宇航局DLR 支持Astrium GmbH 開展了下一代通用高壓電源HVPS-NG（Generic High Voltage Power Supply-Next Generation）研究。圖8 所示為Astrium GmbH研制PPU 過程中提升效率的過程。采用SiC 功率二極管以及新型高壓變壓器后，效率從原理樣機階段的91%逐步提升到97%。

圖8 Astrium Germany 公司PPU 設(shè)計優(yōu)化過程Fig.8 PPU design optimization made by Astrium Germany

3 SiC 器件在衛(wèi)星電源系統(tǒng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)

Si 基器件在空間單粒子防護領(lǐng)域已積累了多年的研究與應(yīng)用經(jīng)驗，從單粒子失效機理到器件結(jié)構(gòu)等各方面均可以保證器件在宇航應(yīng)用中的可靠性。器件在空間的抗輻照能力分為總劑量抗輻照TID（total irradiation dose）和重離子抗輻照（heavy ion radiation）。SiC 對于TID 表現(xiàn)出天然的免疫性，TID可達300 kRad（Si），遠大于宇航應(yīng)用的需求100 kRad（Si）。然而，NASA、ESA、JAXA 以及中國針對SiC 器件的抗重離子輻照性能均提出了更高的要求。

SiC 器件重離子輻照損傷包括3 個區(qū)：無損傷區(qū)漏電退化區(qū)和燒毀區(qū)，如圖9 所示[24]。

圖9 重離子輻照損傷區(qū)劃分Fig.9 Classification of damageareas induced by heavy ion radiation

NASA 對1 200 V SiC MOSFET 的重離子輻照結(jié)果如圖10 所示。表明在較低漏壓（500 V）下發(fā)生漏極電流ID一直增大，而在器件安全工作條件確定條件下，其退化機理來源于器件本征特性，而不是其形貌和工藝質(zhì)量。

圖10 1 200 V MOSFET 偏置電壓為500 V[25]Fig.10 1 200 V MOSFET biased at 500 V[25]

JAXA 對SiC SBD 的空間工作性能進行了評估，包括輻射損傷，靜電累積等指標。JAXA 的空間粒子束誘發(fā)的靜電累積試驗原理如圖11 所示。其中，SiC SBD 為Infineon 公司600 V/6 A 商業(yè)器件。試驗獲得了器件損傷和靜電累積預(yù)測特性，也發(fā)現(xiàn)其對高能粒子束敏感的缺點[26]。未來SiC SBD 在航天中的應(yīng)用將重點研究大量靜電累積故障機制，進一步提高器件的效率和可靠性。

圖11 JAXA 空間粒子束誘發(fā)靜電累積試驗原理Fig.11 Schematic of JAXA ESD experiment induced by ion beam in space

在國家核高基重大專項“核心電子器件在DFH-5 系列衛(wèi)星中的驗證與應(yīng)用”項目支持下，中國空間技術(shù)研究院組織西安電子科技大學、哈爾工業(yè)大學、濟南市半導體元件實驗所和西安微電子技術(shù)研究所等高校和研究院所對SiC 高壓功率器件開展了多次單粒子摸底試驗[27-28]。

針對1 200 V/15 A SiC 肖特基二極管開展了2次單粒子效應(yīng)試驗，采用的LET 值分別為37 和81 MeVcm2/mg，試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 1 200 V/15 A SiC 肖特基二極管試驗結(jié)果Tab.1 Experimental result of 1 200 V/15 A SiC Schottky diode

試驗結(jié)果表明：在加反向電壓下進行輻射，反向漏電流增大，且反射電壓越大，漏電流增加得越快，即使在試驗結(jié)束后，漏電流仍不會恢復(fù)，輻射對器件造成了永久損傷。

針對商用CREE 器件CPM2-1200-0025B SiC MOSFET 開展的單粒子效應(yīng)評估，試驗采用的LET值為35.83 MeVcm2/mg，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 1 200 V CREE 公司SiC MOSFET 單粒子試驗結(jié)果Tab.2 Resultof single event experiment based on CPM2-1200-0025B SiC MOSFET

試驗結(jié)果表明：在LET=35.83 MeVcm2/mg 下，CPM2-1200-0025B SiC MOSFET 器件抗單粒子能力的Vds在300 V 以內(nèi)，遠小于器件的標稱值1 200 V。

4 結(jié)語

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是航天技術(shù)與電力電子技術(shù)的融合，衛(wèi)星電源系統(tǒng)涉及到航天器的多個方面，是航天器長壽命、高可靠工作的基本保障。衛(wèi)星電源電力電子裝置的發(fā)展和進步將進一步滿足輻射、高壓、高頻、高溫的功率半導體器件的需求。SiC 功率器件能有效提高衛(wèi)星電推進電源效率和功率密度，減小裝置體積。然而，SiC 器件存在的空間單粒子敏感問題成為制約其在衛(wèi)星大功率高壓領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著對SiC 器件單粒子失效機理的研究、輻照加固工藝的不斷完善和器件的不斷改進，SiC 器件可用于空間電源系統(tǒng)中的優(yōu)勢更加,這也必將對衛(wèi)星電源系統(tǒng)的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的重大影響。