在中國深空探索及載人航天任務逐漸增多的背景下，對電能的需求也隨之上升，從而推動了對宇航電源的高效率與小型化的設計需求。宇航電源是航天器系統的心臟，既要為電推進系統和激光武器等高功率負載供電，也要增強對科學試驗平臺、地球觀測以及全球通信系統的供電能力。采用功率密度低的電源系統，會導致體積和重量的增加，減少航天器的有效載荷，并增大發射成本及維持在軌運行的難度。

目前，宇航電源的研究正朝向使用高頻化設計的方向演進，頻率高達1MHz的電源可以顯著減小無源器件的體積和重量，從而減少宇航電源中磁性器件所占的體積和重量比例（從之前的20%～30%降低）。然而，傳統宇航電源由于硅基MOS管的性能接近其極限，其開關頻率僅限于100kHz至200kHz，這限制了高頻宇航電源的進一步發展。

因此，當前的研究方向正逐步轉向以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這兩種寬禁帶半導體材料為基礎的功率器件。相比之下，SiC更適用于高電壓、超高功率和高溫環境，而GaN更適合于1MHz以上開關頻率的宇航電源應用。

GaN 功率器件現狀

氮化鎵（GaN）功率器件作為第三代半導體材料，在結構和性能參數方面有顯著優勢。隨著科技的發展，這一器件越來越受到研究和實際應用的重視。

氮化鎵與高摻雜的氮化鋁鎵（AlGaN）形成的異質結，在界面處產生的高濃度二維電子氣（2DEG）使電子遷移率極高，達到了2000cm2/(Vs)。這一特性顯著降低了器件的導通阻抗，進而減小了導電損耗，從而提升器件的整體性能。以EPC公司和英飛凌兩家企業的產品為例，EPC的氮化鎵（GaN）功率器件與英飛凌的硅MOS管在柵極電荷（QG）和結電容（CRSS）等方面具有更低的參數，說明GaN器件在關斷階段的儲能更少，導通阻抗（RDS）更小，這對于提升開關頻率和開關效率至關重要。

氮化鎵（GaN）相較于硅MOSFET，并擁有更大的禁帶寬度、更高的導熱率、更強的擊穿場強和更快的電子飽和漂移速度等優點。這些特性使GaN器件在工作時更加穩定，能夠承受更大的電壓壓力和極高的電壓變化率，開關頻率也遠超其他類型的功率器件。

全球已有多家公司投入氮化鎵（GaN）功率器件的研發，并已應用于宇航領域。盡管Panasonic、EPC、Renesas、Freebird、Infineon 和被其收購的GaN Systems等少數公司能生產出適合宇航應用的器件，但中國在這一領域的起步較晚。盡管如此，一些國有企業和研究機構在寬禁帶半導體研究上已取得初步成果，英諾賽科等企業開發的30V至650V的GaN功率器件已適應多種民用場景。特別是其在40V以下的低壓GaN功率器件研究上，15V的InnoGaN在10MHz頻率下能達到超過90%的效率表現，領先全球。而針對宇航電源使用的抗輻照GaN功率器件，中國的相關產品仍在研發階段。

宇航電源中的GaN

在深空探測等領域，開發超過50千瓦的高功率電推進技術逐漸受到重視，美國航空和航天局（NASA）計劃在2030-2040年期間推動200-500千瓦的霍爾電推進技術的研發與應用。在全球通信覆蓋的基礎上，由于大量中低軌道衛星對空間軌道的影響，衛星載重的功率提升和高效率射頻電源技術變得尤為重要。21世紀初，美國國防高級研究計劃局（DARPA）率先開始研究如何將氮化鎵（GaN）功率器件應用于射頻電源。由于GaN功率器件出色的性能，預計將對新一代航空全功率電源的發展起到關鍵作用。

電推進系統電源

電推進系統的電源處理單元（PPU）是其關鍵組成部件之一，主要職能是將飛行器的一級電源轉換為推進工作所需的各種電源。離子電推進PPU和推力器的特殊格柵結構以及高壓電源的配合，使得其效率和比沖突破了以往的上限，美國的黎明號和其他深空探測器采用的NSTAR以及NEXT-40等都是離子電推進PPU。霍爾電推進PPU結構簡單，成本較低，是商用航天領域和歐洲SPT-100主要選擇的推進電源技術。提高PPU功率的關鍵在于DC/DC變換器的設計，以及高效率的電路拓撲和新型半導體功率器件的應用。

為了超越傳統電推進器輸出電壓的限制，并滿足全電推進飛行器對高壓電源的需求，歐空局采用了雙向有源橋（DAB）的拓撲結構，并在副邊全橋整流拓撲中應用了四個650伏的高壓GaN功率器件；與現有技術的PPU相比，GaN功率器件的卓越性能導致其功率密度增加了約70%，在5千瓦的大功率場景下，其轉換效率能達到96%，同時對成本的壓降也十分明顯。

1.希臘的SITAEL Hellas公司對現有的PPU進行了增強型氮化鎵(eGaN)功率器件的開關元件替代研究，經過優化后的PPU比原來的重量輕了約8%、體積縮小了約10%、效率提高了2%-3%，這些進步推動了eGaN功率器件在低地軌道300瓦以下的PPU中的應用。

2.在國內，哈爾濱工業大學與多家研究機構合作，將GaN功率器件應用于電流驅動移相全橋（CD-PSFB）電路，設計的電源效率得到了進一步提升，峰值效率可達92.3%，盡管試驗樣機的電壓和功率相對較低，但也驗證了GaN功率器件是優化霍爾PPU的最佳選擇。

射頻電源

1.作為低軌通信衛星電推進單元的核心技術，高效率、小體積的射頻電源具有廣闊的發展前景。電子科技大學的劉順林教授將GaN功率器件應用于大容量射頻電源系統，采用三路功率合成方法以及通孔的電路散熱設計，最終研發的射頻電源系統工作頻率可達13.56 Mhz，輸出功率為968 瓦，效率可達88%以上。

2.尼爾馬大學針對母線電壓為70V、負載需求為7V的航天器，在LLC電路內采用eGaN功率器件作為主開關和同步整流管，設計了一款工作頻率為400-500 kHz，功率為50瓦的DC/DC變換器；與現有的硅MOS相比，電源效率可以提高8%，最高能達到94.8%。

3.匹茲堡大學提出了一種在固定開關頻率下，采用Buck或Boost與LLC級聯式電路拓撲設計的DC/DC變換器，適用于雷達、通信系統或小型衛星上其他設施的負載。這個系統采用GaN功率器件，實現了快速、可擴展的特性，且在5瓦至100瓦的整個負載范圍內效率均能達到95%以上，可以滿足多樣化的負載需求。

這些就是GaN器件在航空航天領域中的概況，下一篇為讓大家帶來航空電源應用在目前的狀況下面臨的挑戰和其中對應GaN器件的挑戰。