300-Volt-GaN-FET Raumfahrt: Fortschritt in der Energieversorgung

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In der Raumfahrt sind Bauteile besonders anfällig für Strahlungseffekte wie Single-Event-Burnout (SEB) oder Single-Event-Gate-Rupture (SEGR). Durch die fehlende Atmosphäre ist die Strahlungsintensität deutlich höher. Galliumnitrid (GaN)-Technologie bietet bauartbedingt große Vorteile in Bezug auf Robustheit und Zuverlässigkeit.

Mit dem EPC7030MSH stellt EPC Space, ein Joint Venture von Efficient Power Conversion (EPC) und VPT Inc., ein Bauelement vor, das einen weiteren Schritt in Richtung kompakterer, effizienterer und strahlungsresistenter Stromversorgungssysteme für Satelliten markiert. Der Transistor ist der erste 300-Volt-Rad-Hard-GaN-FET seiner Klasse und richtet sich an Anwendungen, bei denen höhere Busspannungen gefordert sind – etwa elektrische Antriebe, Power-Distribution-Units oder Bordnetze moderner Kommunikationssatelliten.

Der FET basiert auf **enhancement-mode GaN-Technologie**, arbeitet also spannungsgesteuert wie ein MOSFET, bietet jedoch eine deutlich höhere Leistungsdichte. EPC Space kombiniert diesen technologischen Ansatz mit einem hermetisch dichten Surface-Mount-Gehäuse, das speziell auf leitungsgekühlte Designs in Satelliten ausgelegt ist. Damit lassen sich Leistungswandler mit hoher Packungsdichte und reduziertem Gewicht realisieren – zwei Faktoren, die in der Raumfahrt entscheidend sind.

Technische Einordnung und Anwendungsrahmen

Mit einer Drain-Source-Sperrspannung (V_DSS) von 300 V erweitert der EPC7030MSH das bislang verfügbare Spannungsspektrum strahlungsgehärteter GaN-FETs. Der Baustein ist laut Hersteller für Linear Energy Transfer-Werte (LET) von bis zu 84,6 MeV ausgelegt (300 V: LET = 63 MeV, 250 V: LET = 84.6 MeV) und zeigt damit eine außergewöhnliche Resistenz gegen Single-Event-Effekte (SEE).

Die Kombination aus niedrigem Einschaltwiderstand und geringer Gate-Ladung ermöglicht hohe Schaltfrequenzen bei gleichzeitig minimalen Verlusten. Für Systemdesigner bedeutet dies: kleinere Magnetics, kompaktere Filter und insgesamt höhere Leistungsdichte. Besonders in der Bordstromversorgung von Satelliten, wo jedes Gramm Gewicht zählt, ist das ein erheblicher Vorteil.

Das Gehäusedesign trägt zusätzlich zur Robustheit bei. Durch vergrößerte Kriechstrecken und hermetische Versiegelung erfüllt es die Anforderungen an Weltraum- und Hochspannungsumgebungen. Das Bauteil ist für den Einsatz in DC-DC-Frontends, Stromverteilungssystemen und Hochleistungs-Motorsteuerungen vorgesehen.

GaN unter Strahlung – Materialphysik als Vorteil

Die Strahlungstoleranz von GaN-Bauelementen ist nicht allein Ergebnis spezieller Schutzmaßnahmen, sondern zu einem großen Teil eine Folge des Materials selbst. Galliumnitrid gehört zu den sogenannten Wide Bandgap-Halbleitern, deren Bandabstand mit etwa 3,4 eV rund dreimal so groß ist wie der von Silizium. Dieser breite Bandabstand reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass ionisierende Strahlung freie Ladungsträger im Material erzeugt, die Parameter wie Threshold-Spannung oder Leakage-Ströme verändern.

Hinzu kommt die hohe „Displacement-Threshold-Energy“ von GaN: Um ein Atom im Kristallgitter zu verschieben, ist deutlich mehr Energie nötig als bei Silizium. Dadurch entstehen unter Neutronen- oder Protonenbeschuss weniger Gitterdefekte.

Ein weiterer Punkt betrifft die Gerätearchitektur. Bei GaN-FETs bildet eine dünne AlGaN-Barriere die Trennung zwischen Gate und leitendem Kanal. Diese Struktur sammelt keine ionisierte Ladung an, wenn sie Gammastrahlung ausgesetzt wird . Das ist ein wesentlicher Unterschied zu Silizium-MOSFETs, bei denen sich Oxidladungen im Gate-Dielektrikum aufbauen und die Schaltcharakteristik langfristig verändern können.

Vergleich zu Silizium-MOSFETs

Rad-Hard-MOSFETs auf Silizium-Basis gelten zwar als etabliert und gut charakterisiert, stoßen aber in modernen Hochleistungs-Satellitensystemen zunehmend an ihre physikalischen Grenzen. Unter Total Ionizing Dose-Bedingungen (TID) kommt es bei Si-MOSFETs häufig zu Drift im Gate-Threshold, erhöhter Leakage und eingeschränkter Lebensdauer.

GaN-FETs zeigen in diesen Tests eine deutlich stabilere Charakteristik. Studien der NASA NEPP-Initiative und diverser Raumfahrtlabore bestätigen, dass die Variation zentraler Kennwerte selbst nach Bestrahlung mit mehreren Mrad nur geringfügig ist. Damit können Designer konservativere Derating-Faktoren ansetzen, was zu einer effizienteren Nutzung des Bauteils führt.

Darüber hinaus ist die höhere Effizienz von GaN nicht nur energetisch interessant, sondern auch thermisch relevant: Weniger Verlustleistung bedeutet geringere Temperaturbelastung und somit reduzierte Anfälligkeit für strahlungsinduzierte Alterungseffekte.

Herausforderungen und Grenzen

Trotz der inhärenten Vorteile bleibt Strahlungshärtung ein systemischer Prozess. Auch GaN-Bauelemente können durch Single-Event-Burnout (SEB) oder Gate-Rupture (SEGR) geschädigt werden, wenn die Spannungsspitzen über kritische Werte hinausgehen. Packaging, Layout und das Design sind deshalb ebenso entscheidend wie die Materialwahl.

GaN-Bauelemente wie der EPC7030MSH sind wichtig für strahlungsfeste Leistungselektronik. Durch die 300-Volt V_DSS sind künftig Satelliten mit deutlich höherer Leistung möglich. Die höheren Busspannungen führen zu einer Gewichtsreduktion, was in der Raumfahrt unumgänglich ist..

GaN-Technologie zeigt sich dabei nicht nur als effizienter, sondern auch als widerstandsfähiger gegenüber Strahlungseinflüssen. In der Summe steht der neue EPC-FET für den Übergang zu einer Generation von Raumfahrt-Leistungskomponenten, die nicht mehr allein durch Schutzmaßnahmen robust werden, sondern durch ihr Material selbst. (mr)

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