Rad-Hard Silicon仍然是太空电子产品的基准

文章：克里斯哈特

性能，可靠性和飞行遗产通常是涉及空间应用的电子产品时的主要问题。根据使命寿命和档案，设计人员可以在某些情况下使用商业现货（COTS）零件。但是尖端电子器件与辐射硬化（Rad-Hard）器件大不相同。设计，测试和验证如Si MOSFET等RAD硬质量，以便在最差的操作条件下进行，例如长时间暴露于空间的辐射。

从设计的角度来看，在高可靠性空间应用中，权衡使用雷达硬硅mosfet与基于替代材料(如GaN HEMT功率器件)的COTS器件的独特考虑是很重要的。在这篇文章中，我们将了解电路设计的不同方面，以更好地理解选择一个或另一个的权衡。

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随着今天的空间行业的商业化增加，设计师面临更挑战的挑战，平衡绩效，计划成本，使命概况和风险。即使是传统的太空政府和公共部门球员也是如此。数以百计的初创公司，大学研究人员，甚至私人公民现在建立并推出预算卫星，如流行的CubeSat设计。通常针对低地球轨道（LEO）和任务长度而不是几年，这些新的空间任务倾向于使用Rad宽容或汽车合格的COTS电子产品来节省成本或调查新技术。

可在低成本点，汽车级和尖端电子设备提供符合工业应用的可靠性标准和性能的基线，但并不是在设计辐射稳健性的情况下设计。虽然一些尖端部件可以显示固有的辐射耐受性，但是它们可能或可能不设计用于辐射稳健性，以与RAD硬组件相同的程度。

使用COTS电子产品会引入许多未知因素，例如跨晶圆批次的部件同质性和一致性以及部件可追溯性。为了提高空间应用的可信度，这类设备在使用前可进行额外的测试，称为升级筛选。这也延伸到宽带隙器件的使用，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)晶体管。然而，即使有升级筛选，也不能保证。测试结果可能是不同的，即使来自同一个制造商。或者胶辊部件可能不能按照需要发挥作用，并在辐射条件下存活。所有这些都给项目增加了更多的风险。

雷达硬电子提供了对单个晶片批次的可追溯性，因此在进行破坏性物理分析或其他筛选时，空间设计师可以对部件的均匀性和长期性能(包括空间中的辐射和可靠性)有信心。较短、高冗余、亚年任务和探索新技术的低地轨道卫星肯定会受益于使用COTS组件。然而，对于“重大故障风险”不可接受的长期任务，高可靠性电子产品的基准仍然是雷达硬硅。

空间辐射的挑战

辐射在太空中是普遍存在的，并且可以对没有减缓措施的电子产品产生负面影响。空间辐射可以以两种主要方式影响功能。与模具氧化物层相互作用的辐射可导致长期累积损伤，指定为总电离剂量。第二次影响是可以导致可回收的单事件瞬态和灾难性失败的单一事件效应。当施加高电压时，快速，重的颗粒撞击栅极区域，可以导致栅极氧化物上的高瞬态电场，从而导致其破裂。这被称为单事件门破裂。漂移区域中的类似事件也可以在源极和漏极之间引起短路。最好的情况是它只是一个瞬间的非破坏性短路。在最糟糕的情况下，它可能导致无法弥补的损坏，称为单一事件倦怠。

使用rad-硬电子器件可以防止这种故障机制。例如，使用设计和制造技术，最初在20世纪80年代推出了rad-Hard Si MOSFET，以降低对辐射曝光的敏感性。多年来，更强大的设计，制造业专业知识，筛选和资格已经发展到实际上确保了无故障的辐射性能。

最终，是使用硬雷达还是COTS电子取决于几个因素——任务轮廓、性能参数、功能临界性、成本等等。在某些情况下，牺牲可靠性和辐射免疫力可能是可以接受的风险，以帮助满足预算限制或在冗余或不那么关键的系统中测试新技术。但是，当优先考虑可靠性时，例如对于高度关键的功能或长期、深空或星际任务，雷达硬硅是明确的选择。

简化的升级是关键

在这种具有挑战性的环境中，重用成熟技术是任务可靠性的关键。使用经过飞行验证的设计保持了被证明的可靠万博投注网址性和对长期成功机会的期望。电路板布局和电路优化是主要的设计、测试和评估投资，特别是对高可靠性应用。作为一个例子，在花费大量的努力优化buck变换器的跟踪寄生(图2)之后，升级到更先进的下一代Si MOSFET远比用不同的技术(如GaN)开始一个全新的设计要简单得多。像IR HiRel的R9这样的新型碳足迹兼容、更高效的Si mosfet可以立即得到性能改进，而设计验证和重新确认所需的工作要少得多。

雷达硬Si mosfet支持更高的栅极额定(±20 V相对于GaN - 5 V到6 V)，并有30- 200 ns的上升时间(相对于GaN <5 ns)，使他们更不容易受到电路寄生。降低栅源电压灵敏度可能是GaN的一个问题，这促使耗时的设计迭代来优化板布局。相比之下，硅mosfet在布局方面相对宽容，这使得设计电路更容易避免寄生电感引起的电压过调。最新一代Si器件也显示出了与芯片和封装相关的寄生技术的改进，使电路性能和效率得到了更高的提高，而无需使用GaN进行重大风险权衡。

对于高开关频率应用，GaN的小，<5-NS上升时间可能令人抱负足够令人兴奋的以超过其对寄生菌素的敏感性。然而，使用具有极小升高/下降时间的开关确实以更高的设计，测试和评估时间来实现优化板布局和仔细组件选择的成本，并且需要减少寄生菌素（表1）。

对于需要线性模式操作的应用，例如线性稳压器的通过元件，短路保护和热插拔/软启动，Si MOSFET仍然是上级，更坚固的选项。在存在漏极源电压的情况下操作时，需要考虑安全的操作区域（SOA）特性。诸如IR Hirel的100-V R9 MOSFET的装置可以在25˚C保持的情况下操作，在50 V和20 A处保持100μs。通过比较，具有相似电压和电流额定值的GaN晶体管越差越差。在相同条件下（图3中的绿色圆圈）在10μs边界边缘操作。

对于负载开关或高侧开关应用，p通道Si mosfet是一个优秀的，简单的，可靠的选择。由于栅极电压加上打开器件的阈值电压低于输入电压，因此与氮通道场效应晶体管(Si或GaN)相比，这种应用中的驱动电路异常简单和经济。这在空间非常宝贵的应用中也很有利，例如非隔离的负载点和低压驱动器。值得注意的是，由于与硅替代品相比性能较差，目前还没有商用的p通道氮化镓替代品。虽然理论上是可能的，但p通道GaN器件并不容易制作低电阻率和晶体缺陷密度。

由于较低的热阻抗，jc，Si MOSFET也显示出脉冲功率时的结温增加。与Egan Hemt相比，差异可以高达25％。

由辐射或电池/负载问题引起的瞬态通常会导致开关立即接合/脱离以保护电路。任何串联电感都可以产生DI / DT感应电压尖峰，如果这超过特定的击穿电压（图4），则导致雪崩电流流量，该电压用作自夹。如果不超过开关结温，则粗糙的新一代Si MOSFET可以恢复，在这种情况下恢复正常操作。

虽然有商业GaN零件，但列出了超出其绝对最大额定值的允许漏极到源电压的较高的漏极 - 源电压，因此尚未作为RAD-HARD提供。由于GaN中没有这种自夹紧，未扩大的漏极电压的增加超过额定值可能导致可用的寿命或灾难性破坏，从而使RAD-HARD SI更加坚固。值得注意的是，高达650 V的Rad-Hard Si MOSFET，例如英飞凌最新的ESA合格的Powermos设备，现在正在市场上。

辐照硅场效应管

来自IR Hirel的Rad-Hard R9 MOSFET系列是最新一代的SI设备，专门针对空间级电子产品的挑战设计，需要高可靠性，鲁棒性和可追溯性。一个简单的替换使得能够重用已建立的，飞行证明的设计，以最小的努力提供系统效率的改进，并降低高通量卫星的每位成本。万博投注网址设计人员可以从R9的兼容性，与各种栅极驱动器的兼容性和对寄生菌，更高电流能力和更好的SOA的敏感性比替代技术相比。这些SI器件还提供空间应用设计人员在上一代Rad-Hard MOSFET上畅销性能和包装改进，同时保持建立和预期的可追溯性和可靠性水平。

R9 mosfet符合MIL-PRF-19500 JANS标准，并直接发布到DLA的合格部件列表(QPL)，可在多个封装选项中使用，包括新的SupIR-SMD(图5)。SupIR-SMD提供了显著的改进，以缓解电路板和封装之间焊点的热诱导应力。¹目前没有GAN选项，适用于与MIL-PRF-19500（如DLA或ESA QPL）等行业标准的空间。

总结

选择合适的组件对于所有太空任务的成功至关重要，但许多因素类似的使命概况，预算限制，风险以及更多的零件和技术将最适合这种情况。随着行业和技术的发展，设计师无疑将为COTS和RAD硬组件找到使用。然而，此时，只有大十年的使用，只有rad-hard si设备已经证明了飞行验证的遗产，加上了丰富的质量和可靠性标准和丰富的技术理解。此外，通过RAD-HARD SI，系统设计人员可以确保这些设备是JANS和QPL合格的，并且可以满足需要这些可靠性级别的任务的TOR要求。对于空间应用中最高达到的信心和可靠性，Rad-Hard Si仍然是基准。

参考

¹http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1222.pdf.

本文最初发布EEWEB.。

克里斯·哈特IR Hirel营销高级总监，英飞凌科技公司。