SiC 器件在卫星电源系统中的应用与分析

康 庆，李 峰，邢 杰，章 玄

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

随着电推进技术的发展，电推进技术不仅用于航天器位置保持（如600 W/1.5 kV QinetiQ T5 离子推进器已被广泛用于地球静止轨道GEO（geostationary earth orbit）通信卫星），也逐步用于变轨控制，例如5 kW 的T6 已被应用在ESA（European Space Agency）的BepiColumbo 深空探测任务[1]。随着宇航任务对航天器功率需求的增加，航天器电源系统向更高电压供配电方向发展，以降低传输电缆的热耗[2-3]。此外，300 V 母线的航天器使得直接驱动电推进功率单元成为可能，太阳电池阵直接与霍尔推力器相连，不需要中间电推进处理单元PPU（power processing unit），可以大幅节省重量并提高效率。

以硅（Si）为主要材料的功率半导体器件是航天器电力电子装置的重要组成部分，是影响航天器电力电子装置性能、可靠性的关键因素。电力电子装置应更轻、更紧凑、更高效、更可靠。然而，由于材料限制，传统硅基功率器件在许多方面已接近甚至达到了材料的本征极限，如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等，尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性，如图1 所示。

图1 功率半导体器件特性Fig.1 Characteristic of power semiconductor device

目前研究人员逐渐把目光转向宽禁带半导体器件，如GaN，SiC 等。相比较而言，GaN 更适合在低中压范围内的高频应用中，SiC 更适合于高压、大功率和高温应用环境。GaN 和SiC 的电压界限一般为600 或900 V[4]。SiC 技术的成熟度和鲁棒性都强于GaN。例如：SiC MOSFET 的Vgs和Vds范围更宽，结温可以高达几百摄氏度[5]。因此，SiC 在中高压应用中具有很大潜力。

1 卫星电源系统的现状与趋势

1.1 卫星电源系统的现状

卫星电源系统一般由太阳电池阵、电源控制器、蓄电池、配电器以及各单机相应DC/DC 变换器和电缆网组成[6]。

目前，主流国际通信卫星中，欧洲的Alpha BUS、美国Boeing 公司的702SP、洛马公司的A2100以及我国东方红四号、东方红五号等平台的整星功率可达10～20 kW 以上。受限于宇航可用器件特别是MOSFET 的能力限制，卫星电源母线电压一般为28、42 和100 V。母线电压最高的国际空间站母线电压为127 V。

PPU 是电推进系统的主要组成部分，其功能是将航天器的母线电压转换为推力器启动、工作所需的电压和电流，同时具备故障保护与恢复功能，可以接收上位机指令执行开关机动作，并将PPU 运行数据以遥测的形式发送给上位机。

典型的离子PPU 由屏栅电源BS（beam supply）、加速电源、阳极电源、阴极加热电源、阴极点火电源、中加热电源、中触持极电源以及中点电源组成。其中，屏栅电源输出功率占总功率的80%以上，输出稳态工作电压在1 000 V 以上。典型的霍尔PPU由阳极电源、励磁电源、加热电源和点火脉冲电源组成。其中，阳极电源输出功率占总功率的90%以上，稳态工作电压在300 V 以上。屏栅电源和阳极电源的设计是高压大功率离子PPU 和霍尔PPU 设计的关键和核心。

1.2 卫星电源系统的发展趋势

新一代的卫星将需要越来越多的电力，不仅要提升通信、对地观测和科学服务，还需要为大功率电推进系统供电，提高卫星电压是减少未来航天器体积和重量的关键。

欧盟在H2020～H2024 项目的支持下，正在开展7.5 kW/650 V 和10×20 kW/540 V 推力器组合样机研制。NASA 的太阳能电推进项目计划于2019年实现13 kW 霍尔电推进，2020 年实现50 kW 霍尔电推进，2030—2040 年实现200～500 kW 霍尔电推进。电推进电源系统发展路线图如图2 所示。

图2 电推进电源系统发展路线图[7]Fig.2 Road map for electric propulsion system[7]

2 SiC 器件的现状及在卫星电源系统的应用

2.1 SiC 器件的特点

SiC 已应用于功率因数校正PFC（power factor correction）、混合电动车、风机、轨道机车、不间断电源UPS（uninterruptible power supply）和工业电机驱动中[8-11]。由于其在恶劣环境下的优越性能是Si 和GaAs 等传统半导体所无法比拟的，一旦其关键技术解决，则可更广泛应用于人造卫星、火箭、导弹、雷达、战斗机、通讯、海洋勘探和石油钻井等军事和民用系统。因此，SiC 成为国际上新材料、微电子、光电子和能源领域的研究热点，美国国家航空航天局NASA（National Aeronautics and Space Administration）、欧洲航天局ESA（European Space Agency）、日本宇宙航空研究开发机构JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）相继开展了SiC 基功率器件的空间性能与电源设计等研究。

单极性功率器件正向开启时的导通损耗为[12]

式中：Ron为器件的导通电阻；UB为击穿电压；ε0、εr为介电常数；μ 为载流子迁移率；Ec为材料的临界击穿电场。由式（1）可以看出，要实现低导通电阻就需要提高材料的临界击穿电场，即选择宽禁带的半导体材料。

与传统Si 基功率半导体器件相比，宽禁带功率半导体器件具有宽禁带、高导热性和高击穿电场等特点，对比结果如图3 所示。

图3 3 种材料的对比Fig.3 Comparison among three materials

因此，SiC 功率半导体器件具有如下Si 基器件无可比拟的电气性能[13-16]。

（1）高耐压。4H-SiC 的临界击穿电场可达2MV/cm，耐压能力是传统Si 器件的10 倍，因此可减小功率器件的尺寸。

（2）易散热。SiC 材料的热导率是Si 材料的3 倍，散热更容易，这就意味着SiC 器件可以工作在更高的环境温度下。目前已有研究证实，SiC 肖特基二极管在361 ℃的工作结温下可正常工作超过1 h[16]。

（3）低导通损耗和开关损耗。SiC 材料的电子饱和速度是Si 的2 倍，使得SiC 器件具有极低的导通电阻，仅为Si 器件的1/100，导通损耗低。SiC 器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，可大大提高实际应用的开关频率，可达Si 器件的10 倍。

（4）强抗辐射能力。由于SiC 的宽禁带和高的临界移位能（45～90 eV），使SiC 器件具有更优的抗辐射能力，可以在恶劣的环境中稳定工作。

2.2 SiC 器件在卫星电源系统的应用

2.2.1 太阳电池阵

巴塞罗那CNM-CSIC 电力集团与Alter Technology 合作开发了适用于宇航的SiC 功率二极管，其特点是工作温度范围非常宽，可以达到-170～300 ℃[21]。SiC 功率二极管的内部器件结构不同于标准商用SiC 二极管，对半导体芯片的互连和封装进行了优化，充分利用了SiC 的内在性能。该研究中，Alter Technology 公司负责电气、环境和可靠性测试，其研究反馈有助于优化器件的设计和制造过程。由于这些设备的操作范围并不常见，所以没有任何性能标准可供使用。Alter Technology 和ESA 专家已经完成了当前ESA ESCC 标准的修改，设计并开展了一些具体的筛选和资质认证，将作为未来定义新型高温器件测试标准。

SiC 功率二极管专门用于保护安装在卫星和深空探测器的太阳能电池阵列，目前，第一批已用于ESA 的BepiColombo 和Solar Orbiter 两个任务中。图4 所示器件成为ESA 首选器件清单EPPL（European preferred parts list）的第一个西班牙器件[17]。

图4 Bepi Colombo 探测器用SiC 肖特基隔离二极管Fig.4 SiCSchottky blocking diode used in Bepi Colombo probe

2.2.2 电推进电源

随着以Boeing 702SP、欧洲Eutelsat-172B 为代表的全电推平台采用电推进实现变轨、南北位置保持以及动量轮卸载，电推进已经成为未来卫星、深空探测的主流配置。PPU 的技术指标取决于推力器，PPU 电压范围从霍尔推力器的350 V 到大功率离子推力器的1.9 kV，功率范围从数百W 到3.0～6.5 kW[18-19]。SiC 器件在PPU 中高压、高效率应用中非常有优势。

面向太阳能电推进的任务需求，NASA 格林研究中心GRC 和喷气实验室JPL 联合开展了15 kW PPU 研究，其阳极电源拓扑和输出效率如图5 和图6所示。PPU 采用2 个7.5 kW 模块并联，利用SiC MOSFET 和二极管实现PPU 阳极电源300～400 V输出，效率可达97%，高于现有Si 基PPU 的94%。

图5 7.5 kW 电源处理单元阳极电源拓扑[20]Fig.5 Topology for anode power supply of 7.5 kW PPU[20]

图6 7.5 kW 电源处理单元阳极电源输出效率[30]Fig.6 Output efficiency of anode power supply of 7.5 kW PPU[30]

为了实现10～80 kW 功率可扩展的PPU 阳极电源，NASA 提出一种多相Boost 拓扑硬开关控制策略，通过常用的SiC 基MOSFET 进行升压，并对SiC 基MOSFET 进行HTGB、HTRB、开关损耗以及辐照影响分析。针对CREE 公司的第一代和第二代设备使用HTGB 和HTRB 进行评估，测试电路如图7 所示。结果表明：门极氧化物和漏极侧结在评估范围内具有足够的稳健性，与制造商提供的规格相符；在高温下，SiC 功率MOSFET 的氧化物和结点具有长期可靠性，对于要求高温、长寿命、高可靠的应用场合具有非常大的应用潜力[21]。

图7 测试电路[22]Fig.7 Test circuits[22]

高压SiC 二极管有望用于高压模块的整流，高压三极管可用于高压模块。后期将在Texas A&M大学开展重离子辐照实验[23]。

为了满足ESA 对电推进日益增长的需求，德国宇航局DLR 支持Astrium GmbH 开展了下一代通用高压电源HVPS-NG（Generic High Voltage Power Supply-Next Generation）研究。图8 所示为Astrium GmbH研制PPU 过程中提升效率的过程。采用SiC 功率二极管以及新型高压变压器后，效率从原理样机阶段的91%逐步提升到97%。

图8 Astrium Germany 公司PPU 设计优化过程Fig.8 PPU design optimization made by Astrium Germany

3 SiC 器件在卫星电源系统应用的挑战

Si 基器件在空间单粒子防护领域已积累了多年的研究与应用经验，从单粒子失效机理到器件结构等各方面均可以保证器件在宇航应用中的可靠性。器件在空间的抗辐照能力分为总剂量抗辐照TID（total irradiation dose）和重离子抗辐照（heavy ion radiation）。SiC 对于TID 表现出天然的免疫性，TID可达300 kRad（Si），远大于宇航应用的需求100 kRad（Si）。然而，NASA、ESA、JAXA 以及中国针对SiC 器件的抗重离子辐照性能均提出了更高的要求。

SiC 器件重离子辐照损伤包括3 个区：无损伤区漏电退化区和烧毁区，如图9 所示[24]。

图9 重离子辐照损伤区划分Fig.9 Classification of damageareas induced by heavy ion radiation

NASA 对1 200 V SiC MOSFET 的重离子辐照结果如图10 所示。表明在较低漏压（500 V）下发生漏极电流ID一直增大，而在器件安全工作条件确定条件下，其退化机理来源于器件本征特性，而不是其形貌和工艺质量。

图10 1 200 V MOSFET 偏置电压为500 V[25]Fig.10 1 200 V MOSFET biased at 500 V[25]

JAXA 对SiC SBD 的空间工作性能进行了评估，包括辐射损伤，静电累积等指标。JAXA 的空间粒子束诱发的静电累积试验原理如图11 所示。其中，SiC SBD 为Infineon 公司600 V/6 A 商业器件。试验获得了器件损伤和静电累积预测特性，也发现其对高能粒子束敏感的缺点[26]。未来SiC SBD 在航天中的应用将重点研究大量静电累积故障机制，进一步提高器件的效率和可靠性。

图11 JAXA 空间粒子束诱发静电累积试验原理Fig.11 Schematic of JAXA ESD experiment induced by ion beam in space

在国家核高基重大专项“核心电子器件在DFH-5 系列卫星中的验证与应用”项目支持下，中国空间技术研究院组织西安电子科技大学、哈尔工业大学、济南市半导体元件实验所和西安微电子技术研究所等高校和研究院所对SiC 高压功率器件开展了多次单粒子摸底试验[27-28]。

针对1 200 V/15 A SiC 肖特基二极管开展了2次单粒子效应试验，采用的LET 值分别为37 和81 MeVcm2/mg，试验结果如表1 所示。

表1 1 200 V/15 A SiC 肖特基二极管试验结果Tab.1 Experimental result of 1 200 V/15 A SiC Schottky diode

试验结果表明：在加反向电压下进行辐射，反向漏电流增大，且反射电压越大，漏电流增加得越快，即使在试验结束后，漏电流仍不会恢复，辐射对器件造成了永久损伤。

针对商用CREE 器件CPM2-1200-0025B SiC MOSFET 开展的单粒子效应评估，试验采用的LET值为35.83 MeVcm2/mg，试验结果如表2 所示。

表2 1 200 V CREE 公司SiC MOSFET 单粒子试验结果Tab.2 Resultof single event experiment based on CPM2-1200-0025B SiC MOSFET

试验结果表明：在LET=35.83 MeVcm2/mg 下，CPM2-1200-0025B SiC MOSFET 器件抗单粒子能力的Vds在300 V 以内，远小于器件的标称值1 200 V。

4 结语

卫星电源系统是航天技术与电力电子技术的融合，卫星电源系统涉及到航天器的多个方面，是航天器长寿命、高可靠工作的基本保障。卫星电源电力电子装置的发展和进步将进一步满足辐射、高压、高频、高温的功率半导体器件的需求。SiC 功率器件能有效提高卫星电推进电源效率和功率密度，减小装置体积。然而，SiC 器件存在的空间单粒子敏感问题成为制约其在卫星大功率高压领域的应用。随着对SiC 器件单粒子失效机理的研究、辐照加固工艺的不断完善和器件的不断改进，SiC 器件可用于空间电源系统中的优势更加,这也必将对卫星电源系统的发展和变革产生持续的重大影响。