8月10日，Power Electronics News發布了對英飛凌RIC70115抗輻射GaN HEMT柵極驅動器的技術解析。該器件專為衛星及其他高可靠性空間應用設計。在線上媒體簡報會上，英飛凌HiRel空間產品高級營銷經理Blake Soileau和產品應用工程師Manuel Alva就該新器件提供了詳細解讀。
圖1：RIC70115采用16引腳LCC陶瓷封裝
“功率-尺寸悖論”
新太空領域的興起降低了太空任務的經濟和技術門檻。因此，越來越多的小型衛星被送入軌道，2025年發射數量超過4000顆（較2023年幾乎翻倍）。
英飛凌演講者指出，一個長期市場趨勢是抗輻射CPU和FPGA的特征尺寸正與其商用產品遵循相同的微縮曲線。這意味著當今的衛星可以在相同尺寸內集成比以往更強的計算能力。
然而，設計人員和系統集成商必須應對嚴苛的要求。太空行業需要在越來越小、越來越輕的衛星平臺上提供更高的計算能力，而更多的處理能力需要更多的電力來驅動。
Blake Soileau解釋道：“我們正處于一個獨特的行業位置，正經歷范式或根本性轉變——需要解決日益增長的功率密度差距，以適應不斷增長的計算能力需求，同時還要縮小功率解決方案的尺寸。”
英飛凌認為，GaN是彌合這一差距的天然技術。與傳統硅MOSFET相比，GaN晶體管開關速度更快、損耗更低，從而能夠實現更小的磁性元件（電感器和變壓器）、更高的功率密度和更輕的重量。這些特性滿足了新太空的需求——衛星星座的數量和復雜性都在不斷增長。
器件特性與關鍵參數
RIC70115是一款非隔離式柵極驅動器，可在高側和低側配置下工作，驅動GaN HEMT或硅MOSFET。 據英飛凌介紹，這種雙配置能力是該器件的關鍵差異化特性之一。Soileau表示：“該器件具有非常高的集成度，在設計基于GaN的電源解決方案時大大簡化了客戶的工作。”
柵極驅動器支持4.75V至15V的寬輸入電源范圍，并提供嚴格穩壓的4.8V驅動電壓（非常適合GaN HEMT和邏輯電平硅MOSFET）。它提供1.5A和2.5A的源極和漏極驅動電流，傳播延遲匹配低至0.4ns（典型值） ，以及可選的135ns可編程輸入消隱時間用于額外信號濾波。
抗輻射性能符合HiRel空間產品標準：總電離劑量耐受100krad(Si)，單粒子效應無閂鎖、燒毀和柵穿，單粒子瞬態特性表征至線性能量傳輸81.9MeV·cm2/mg。
兩大特色：真差分輸入與米勒鉗位
真差分輸入解決了高頻開關電路中的已知失效模式。 如圖2左側所示，在傳統柵極驅動器中，輸入引腳直接參考控制器的輸出和共用接地。在快速開關轉換期間，驅動器與控制器之間的寄生接地電感會產生電壓尖峰，其幅度足以被驅動器誤讀為有效的開啟或關斷指令。
圖2：TDI提供對地彈跳的抗擾性
這種現象稱為地彈跳。由于GaN晶體管可以極快的速度開關（數百kHz），具有陡峭的dV/dt率，因此可能受到此問題的影響。
而RIC70115的TDI電路評估兩個專用輸入引腳之間的電壓差，而非將單個輸入參考到地。控制器與驅動器輸入引腳之間串聯的電阻使電路能夠“在快速開關轉換期間保持該電壓，意味著柵極驅動器不會看到來自控制器的任何假開啟電壓，”Alva表示。
Alva補充道，實際好處是雙重的：增強了抗噪能力，并使高側和低側操作均可使用單個驅動器組件實現（圖3）。據英飛凌介紹，目前在空間市場上沒有競爭器件提供此功能。
圖3：RIC70115可用于典型半橋配置的低側和高側
第二個關鍵特性米勒鉗位解決了一個相關但不同的問題。當GaN晶體管處于關斷狀態時，半橋配置中另一個開關上發生的快速漏源電壓變化，會通過器件的寄生米勒電容感應出電流，迫使柵極電壓超過其閾值，導致非預期的開啟。
如果此問題未得到管理，可能導致直通——高側和低側晶體管同時導通的危險狀態。
RIC70115驅動器提供專用CLAMP引腳，在關斷期間將柵極保持在接地電位，避免了這種潛在開啟，無需負柵極驅動電源。此特性還允許設計人員無需通過使用更大的柵極電阻來抑制尖峰從而降低開關速率。
其他相關特性包括集成的低壓差穩壓器，直接從5V或12V系統總線生成驅動器的4.8V電源軌。據演講者介紹，這種集成消除了對獨立的柵極驅動外部電源的需求，有助于實現更小的尺寸。
空間電源架構中的關鍵位置
圖4顯示了RIC70115在典型衛星電源架構中的應用場景，包括中間總線轉換器、二次母線調節器和負載點調節，為FPGA、ASIC和SoC器件供電。
如圖所示，柵極驅動器可與GaN晶體管配對，如英飛凌的IG1NT052N10R——一款100V抗輻射GaN HEMT。在此配置中，RIC70115形成了驅動器+晶體管組合，簡化了衛星電源設計人員的元件選擇。
圖4：RIC70115適用于中壓中間總線轉換器、二次母線調節器等場景
實測對比：性能與尺寸優勢
為支持評估，英飛凌發布了RIC70115EVAL1，這是一款半橋板，將兩個RIC70115驅動器與兩個100V/52A抗輻射IG1NT052N10R GaN HEMT組合在一起。評估板可配置為降壓、升壓或其他常見開關拓撲，并可配備可選的板載輸入死區時間發生器。
實測數據顯示，基于GaN的組合比相當的硅MOSFET設計實現了約50%更小的解決方案尺寸，且在更高輸出電流下效率顯著提升。對比測試在28V至12V、500kHz工作點下使用6.8μH電感器進行。
競爭優勢
簡報以問答環節結束。當被問及RIC70115與空間抗輻射市場中其他制造商產品的比較時，Alva表示：“沒有一款驅動器可以同時用于高側和低側操作。”
關于封裝，Soileau確認英飛凌了解塑封抗輻射和耐輻射選項——除了初始版本采用的陶瓷封裝——對于需要不同風險等級的應用可能有用。他表示英飛凌正在積極研發，但目前尚無產品。
關于向后兼容性，英飛凌澄清RIC70115支持英飛凌較新的邏輯電平硅MOSFET系列，但不支持公司較舊的需要更高柵極電壓的傳統硅器件。
“傳統硅MOSFET，如我們的R4、R5和R6系列，通常需要12V及以上用于柵極驅動應用。因此，RIC70115不適用于這些傳統的硅基MOSFET。然而，新柵極驅動器適用于驅動我們的新邏輯電平系列R8和R7，相比傳統MOSFET系列提供了一些性能改進，”Alva表示。
該器件計劃按照MIL-PRF-38535 Class V進行認證，這是英飛凌的全空間和飛行等級篩選標準。
信息來源： Power electronics news
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