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Gallium Nitride Efficacy for High-Reliability Forward Converters in Spacecraft

氮化镓 转换器 可靠性(半导体) 航天器 材料科学 可靠性工程 电子工程 航空航天工程 电气工程 计算机科学 光电子学 物理 工程类 纳米技术 功率(物理) 电压 量子力学 图层(电子)
作者
Aidan Phillips,Thomas Cook,Brian R. West,Brandon M. Grainger
出处
期刊:IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:10 (5): 5357-5370 被引量:13
标识
DOI:10.1109/jestpe.2022.3175934
摘要

Gallium nitride (GaN) devices show particular promise for space-rated power conversion applications that rely on MOSFET technology whose performance is severely limited by the radiation hardening processes. Although the number of radiation-hardened (rad-hard) GaN devices is low, the current space-rated selection pool can still yield significant efficiency and power density improvements. However, the context of GaN research is often future-oriented such that the application of GaN to common, proven, space-rated converter designs is rare. The presented work quantifies the performance benefits of market available, space-rated GaN HEMTs over rad-hard MOSFETs for a synchronous forward converter, which remains an extremely popular topology for isolated, medium-power, dc–dc conversion on various satellite systems. Two 75-W, space-rated forward converters were designed, implemented, and benchmarked, with the power switch technology being the single variable of change. By forming Pareto-optimal fronts of the key device metrics, optimal rad-hard MOSFETs were chosen so that the baseline converter performance was considered the best case. The frequency limitations of common, available, rad-hard PWM controllers limited the power density in the GaN and Si converters alike; however, efficiency gains proved sizeable. The GaN-based converter saw a peak efficiency of 86%, which was a 4.54% improvement over the Si baseline. Detailed efficiency and loss differential plots are presented, which show the GaN converter's reduced sensitivity to the input voltage.

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