[发明专利]宇航用高压二极管抗单粒子烧毁系统级加固方法及电路

说明书

本发明提供一种宇航用高压二极管抗单粒子烧毁系统级加固方法及电路，旨在更为简便、低成本地实现高压二极管抗单粒子烧毁加固设计，为宇航系统提供元器件保障。该方法针对宇航系统中采用的多个高压快恢复整流二极管D_i，将每个高压快恢复整流二极管D_i替换为同规格的至少两个高压快恢复整流二极管串联结构；相应地，对于屏栅电源输出整流滤波电路，原高压快恢复整流二极管D₁、D₂、D₃、D₄构成桥式整流电路，高压快恢复整流二极管D₅、D₆分别作为CDD缓冲网络中的箝位二极管和续流二极管，分别单独替换为同规格的至少两个高压快恢复整流二极管串联结构。本发明实现简便、工艺实施难度小、成本较低，具有很高的应用价值。

技术领域

本发明属于单粒子效应研究领域，涉及一种宇航用高压二极管抗单粒子烧毁系统级加固方法及电路。

背景技术

航天器工作在空间辐照环境中，空间辐照效应会引起电子器件性能退化甚至失效，危害航天器在轨长期连续稳定工作性能。电子器件空间辐照效应包括单粒子效应、电离总剂量效应、位移损伤效应，其中高压二极管由于工作电压高、电场强度大的特点，极易在高能粒子轰击下引发单粒子烧毁(Single Event Burnout，SEB)从而造成器件失效。

高压快恢复整流二极管应用在宇航系统中，主要用于对二级电源进行整流和续流，一旦发生单粒子烧毁，可能导致功能模块失效，甚至危及整个型号工程，高压快恢复整流二极管抗单粒子能力的不足严重影响了器件在型号中的安全应用。

宇航系统的不断发展对高压二极管的反向耐压值提出了更高的指标需求。传统硅基二极管通过加长漂移区厚度来实现反向耐压值的提升，然而这一措施会导致反向恢复时间和开关损耗增加，不利于宇航系统整体性能的提升；与此同时，SiC SBD由于采用了宽禁带半导体材料，可以实现更高的反向耐压值，不存在反向恢复时间带来的动态响应速度问题，并具有耐高温的技术优势，将SiC SBD应用于宇航系统，可显著提高系统开关频率、效率和功率密度。近期研究表明，在宇航系统中使用SiC SBD器件可将系统效率提升到97％，相比硅基器件具有极大的技术优势。将SiC SBD作为高压二极管器件应用于宇航系统以实现系统整体性能提升和宇航系统减重已成为业界关注的技术趋势。

根据航天器用电子器件抗辐照指标要求，对于地球同步轨道长寿命卫星，要求器件抗单粒子烧毁线性能量传输(Linear Energy Transfer，LET)大于75MeV·cm²/mg；同时，为了确保航天器长期稳定工作，元器件使用必须满足可靠性降额准则，根据航天器一级降额准则，1200V高压快恢复整流二极管安全工作区应不低于720V。因此，为了满足航天器抗辐照和可靠性设计要求，宇航用1200V高压快恢复二极管必须满足：在720V电压下，LET 为75MeV·cm²/mg时，不发生单粒子烧毁效应。

然而，现有辐照试验数据表明，SiC SBD器件抗电离总剂量和位移损伤能力强，但抗单粒子能力严重不足。目前的试验数据表明，耐压标称值为1200V的SiC SBD搭载到航天器上时，单粒子效应严重使得器件电压降低至200V，影响航天器的正常工作。在机理研究方面，相关学者推测SiC SBD在单粒子辐照时，其烧毁现象的发生可能与肖特基结下电场集中、温度过高有关。但由于单粒子作用机理尚不明确，现有加固手段匮乏，国际上部分研究机构宣布已放弃SiC SBD抗辐照加固方面的研究计划，这严重限制了SiC SBD器件的宇航应用步伐。

目前国产器件抗单粒子烧毁能力不足，无法满足应用要求。通常的做法是增大高压快恢复整流二极管的实际耐压值(增大漂移区电阻和漂移区厚度)以提升其抗单粒子烧毁电压水平；但这种做法会牺牲器件的电学性能，使得器件的正向特性和反向恢复特性变差，导致器件的功率损耗和反向恢复时间增加，对宇航系统整体工作性能产生不利影响。

发明内容