性能、可靠性和飛行傳統(tǒng)通常是空間應用電子產(chǎn)品的主要關(guān)注點。根據(jù)任務壽命和配置文件，設計人員在某些情況下可能會考慮使用商用現(xiàn)貨 (COTS) 部件。但是 COTS 電子設備與抗輻射（rad-hard）設備有很大不同。Si MOSFET 等抗輻射組件經(jīng)過設計、測試和驗證，可在最惡劣的工作條件下運行，例如長時間暴露在太空輻射中。

從設計的角度來看，重要的是在高可靠性空間應用中權(quán)衡使用抗輻射 Si MOSFET 與基于替代材料（如 GaN HEMT 功率器件）的 COTS 器件的獨特考慮因素。在本文中，我們將著眼于電路設計的不同方面，以更好地了解選擇其中一個的權(quán)衡。

COTS 與否？

隨著當今航天工業(yè)日益商業(yè)化，設計師在平衡性能、項目成本、任務概況和風險方面面臨更多挑戰(zhàn)。即使對于傳統(tǒng)的太空政府和公共部門參與者來說也是如此。數(shù)百家初創(chuàng)公司、大學研究人員，甚至普通公民現(xiàn)在都在建造和發(fā)射廉價衛(wèi)星，例如流行的 CubeSat 設計。通常針對低地球軌道 (LEO) 和數(shù)月而不是數(shù)年的任務長度，這些新的太空任務傾向于使用抗輻射或汽車合格的 COTS 電子設備來節(jié)省成本或研究新技術(shù)。

汽車級和 COTS 電子產(chǎn)品的成本要低得多，符合工業(yè)應用的可靠性標準和性能基準，但在設計時并未考慮輻射穩(wěn)健性。雖然一些 COTS 部件可能顯示出固有的輻射耐受性，但它們的設計可能會或可能不會達到與抗輻射組件相同程度的輻射魯棒性。

使用 COTS 電子設備會引入許多未知因素，例如晶圓批次之間的部分同質(zhì)性和一致性以及部分可追溯性。為了提高空間應用的置信度，此類設備可能會在使用前以額外費用接受進一步測試，稱為升級篩選。這也擴展到寬帶隙器件的使用，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 晶體管。但是，即使進行了篩選，也不能保證。即使來自同一制造商，測試結(jié)果也可能有所不同?；蛘?COTS 部件可能無法按需要運行并在輻射條件下存活。所有這些都給項目增加了更多風險。

抗輻射電子提供對單個晶圓批次的可追溯性，因此在進行破壞性物理分析或其他篩選時，空間設計人員可以對部件的均勻性和長期性能（包括空間輻射和可靠性）充滿信心。更短、高冗余、次年的任務和探索新技術(shù)的 LEO 衛(wèi)星肯定會從使用 COTS 組件中受益。然而，對于“重大故障風險”是不可接受的長期任務，高可靠性電子設備的基準仍然是抗輻射硅。

圖 1：抗輻射硅 MOSFET 是需要高可靠性的長期太空任務的最佳選擇。

太空輻射挑戰(zhàn)

輻射在太空中無處不在，會對沒有采取緩解措施的電子設備產(chǎn)生負面影響?？臻g輻射可以通過兩種主要方式影響功能。與管芯氧化層相互作用的輻射會導致長期累積損傷，指定為總電離劑量。第二個影響是單事件效應，可導致可恢復的單事件瞬態(tài)和災難性故障。當施加高電壓時，快速而重的粒子撞擊柵極區(qū)域會在柵極氧化物上產(chǎn)生高瞬態(tài)電場，從而導致其破裂。這被稱為單事件門破裂。漂移區(qū)中的類似事件也可能導致源漏之間的短路。最好的情況是它只是一個瞬間的非破壞性短路。在最壞的情況下，

使用抗輻射電子設備可以防止此類故障機制。例如，抗輻射硅 MOSFET 最初是在 1980 年代推出的，使用設計和制造技術(shù)來降低對輻射暴露的敏感性。多年來，更穩(wěn)健的設計、制造技術(shù)、篩選和認證已經(jīng)發(fā)展到幾乎可以確保無故障的輻射性能。

最終，是使用抗輻射還是 COTS 電子設備取決于幾個因素——任務概況、性能參數(shù)、功能關(guān)鍵性、成本等等。在某些情況下，犧牲可靠性和輻射抗擾度可能是可接受的風險，以幫助滿足預算限制或在冗余或不太關(guān)鍵的系統(tǒng)中測試新技術(shù)。但是，當優(yōu)先考慮可靠性時，例如對于高度關(guān)鍵的功能或長期、深空或行星際任務，抗輻射硅是明確的選擇。

簡化升級是關(guān)鍵

在這個充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，重復使用經(jīng)過驗證的技術(shù)是任務可靠性的關(guān)鍵。使用經(jīng)過飛行驗證的設計可保持已證明的可靠性和對長期成功機會的期望。電路板布局和電路優(yōu)化是一項主要的設計、測試和評估投資，尤其是對于高可靠性應用。例如，在花費大量精力優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器的跡線寄生效應后（圖 2），升級到更先進的下一代 Si MOSFET 比使用 GaN 等不同技術(shù)開始全新設計要簡單得多。新的封裝兼容、更高效的 Si MOSFET，如 IR HiRel 的 R9，可以立即用于性能提升，設計論證和重新認證所需的工作要少得多。

圖 2：經(jīng)過飛行驗證的設計，例如此降壓轉(zhuǎn)換器，需要大量時間來優(yōu)化用于高可靠性空間應用的柵極驅(qū)動電路和電路板布局。繼續(xù)使用 Si，而??不是為 SiC 或 GaN 重新設計，可以加速設計和重新認證過程。

Rad-hard Si MOSFET 支持更高的柵極額定值（±20 V 與 GaN –5 V 至 6 V）并具有 30 至 200 ns 的上升時間（而 GaN 小于 5 ns），使它們不易受到電路寄生效應的影響。降低柵極-源極電壓敏感性可能是 GaN 的一個問題，促使耗時的設計迭代來優(yōu)化電路板布局。相比之下，Si MOSFET 在布局方面相對寬容，可以更輕松地設計能夠承受寄生電感引起的電壓過沖的電路。最新一代的硅器件還顯示出與芯片和封裝相關(guān)的寄生參數(shù)的改進，實現(xiàn)了更高性能的電路和效率增益，而無需犧牲使用 GaN 的重大風險。

對于高開關(guān)頻率應用，GaN 的小、<5 ns 上升時間可能足以超過其對寄生的敏感性。然而，使用具有極短上升/下降時間的開關(guān)確實需要花費更多的設計、測試和評估時間來優(yōu)化電路板布局和謹慎的組件選擇，同時還需要減少寄生效應（表 1）。

表 1：電路板布局上上升/下降時間的權(quán)衡

對于需要線性模式操作的應用，例如線性穩(wěn)壓器的通路元件、短路保護和熱插拔/軟啟動，Si MOSFET 仍然是更優(yōu)越、更堅固的選擇。在存在漏源電壓的情況下工作時，有必要考慮安全工作區(qū) (SOA) 特性。IR HiRel 的 100-V R9 MOSFET 等器件可以在 25?C 的情況下在 50 V 和 20 A 下運行 100 μs。相比之下，具有相似電壓和電流額定值的 GaN 晶體管的性能更差，在相同條件下在 10 μs 邊界的邊緣運行（圖 3 中的綠色圓圈）。

圖 3：100V 器件的 SOA 比較：R9 MOSFET（左）和 eGaN HEMT（右）

對于負載開關(guān)或高邊開關(guān)應用，P 溝道 Si MOSFET 是一種出色、簡單且可靠的選擇。由于用于開啟器件的柵極電壓加上閾值電壓低于輸入電壓，因此與 N 溝道 FET（無論是 Si 還是 GaN）相比，此應用中的驅(qū)動器電路非常簡單且具有成本效益。這也有利于空間非常寶貴的應用，例如非隔離負載點和低壓驅(qū)動器。應該注意的是，由于與硅替代品相比性能較差，目前沒有商用的 P 溝道 GaN 空間選擇。雖然理論上可行，但低電阻率和晶體缺陷密度的 P 溝道 GaN 器件并不容易制造。

由于較低的熱阻抗 ?jc，Si MOSFET 在承受脈沖功率時也顯示出較小的結(jié)溫升高。與 eGaN HEMT 相比，差異可高達 25%。

由輻射或電池/負載問題引起的瞬變通常會導致開關(guān)立即接合/斷開以保護電路。任何串聯(lián)電感都會產(chǎn)生 di/dt 感應的電壓尖峰，如果超過特定擊穿電壓（圖 4），則會導致雪崩電流，用作自鉗位。只要不超過開關(guān)結(jié)溫，堅固耐用的新一代 Si MOSFET 就可以恢復，在這種情況下恢復正常工作。

雖然有商用 GaN 部件列出了超出其絕對最大額定值的更高允許漏源電壓，但尚無任何可用作抗輻射的部件。由于 GaN 中沒有這種自鉗位，漏源電壓超過額定值的有增無減可能導致使用壽命縮短或災難性破壞，從而使抗輻射硅成為更堅固的選擇。值得注意的是，高達 650 V 的耐輻射 Si MOSFET，例如英飛凌最新的 ESA 認證 PowerMOS 器件，現(xiàn)已上市。

圖 4：IR HiRel 的抗輻射 R9 Si MOSFET 旨在承受更高水平的雪崩能量，如反激式轉(zhuǎn)換器設計中所示。

耐輻射 Si MOSFET

IR HiRel 的抗輻射 R9 MOSFET 系列是最新一代 Si 器件，專為應對需要高可靠性、穩(wěn)健性和可追溯性的航天級電子產(chǎn)品挑戰(zhàn)而設計。簡單的插入式更換可以重復使用已建立的、經(jīng)過飛行驗證的設計，以最少的努力提高系統(tǒng)效率，并降低高吞吐量衛(wèi)星的每比特成本。設計人員受益于 R9 與各種柵極驅(qū)動器的兼容性以及對寄生參數(shù)的更低敏感性、更高的電流能力以及在線性模式操作中比替代技術(shù)更好的 SOA。與上一代抗輻射 MOSFET 相比，這些硅器件還為空間應用設計人員提供了直接的性能和封裝改進，同時保持了既定和預期的可追溯性和可靠性水平。

R9 MOSFET 通過 MIL-PRF-19500 JANS 認證并直接發(fā)布到 DLA 的合格零件清單 (QPL)，提供多種封裝選項，包括新的 SupIR-SMD（圖 5）。SupIR-SMD 提供了顯著的改進，以減輕電路板和封裝之間焊點中的熱應力。1目前沒有符合 MIL-PRF-19500 等行業(yè)標準或可用作 DLA 或 ESA QPL 的空間 GaN 選項。

圖 5：SupIR-SMD 封裝減輕了高可靠性應用中經(jīng)常遭受的熱誘導焊點應力。

概括

選擇正確的組件對于所有太空任務的成功至關(guān)重要，但許多因素——如任務概況、預算限制、風險等——會影響哪些部件和技術(shù)最適合這種情況。隨著行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，設計人員無疑會發(fā)現(xiàn) COTS 和抗輻射組件的用途。然而，目前，只有抗輻射硅器件展示了經(jīng)過數(shù)十年飛行驗證的傳統(tǒng)，以及完善的質(zhì)量和可靠性標準以及豐富的技術(shù)理解。此外，借助抗輻射硅，系統(tǒng)設計人員可以確保此類設備符合 JANS 和 QPL 標準，并且可以滿足需要這些級別可靠性的任務的 TOR 要求。為了在空間應用中獲得最高水平的信心和可靠性，

審核編輯：湯梓紅