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寬帶隙半導(dǎo)體在航空航天和衛(wèi)星方面的應(yīng)用

發(fā)布時間:2023-04-08 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體在電源轉(zhuǎn)換方面具備幾個優(yōu)勢,如功率密度和效率更高,同時可通過允許使用更小無源元器件的高頻開關(guān),減少系統(tǒng)尺寸和重量。這些優(yōu)勢在航空航天和衛(wèi)星動力系統(tǒng)中可能更加重要,因為尺寸和重量在這些領(lǐng)域中更為關(guān)鍵。本文探討了碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等 WBG 元器件在這些應(yīng)用中的相對優(yōu)勢。


寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體在電源轉(zhuǎn)換方面具備幾個優(yōu)勢,如功率密度和效率更高,同時可通過允許使用更小無源元器件的高頻開關(guān),減少系統(tǒng)尺寸和重量。這些優(yōu)勢在航空航天和衛(wèi)星動力系統(tǒng)中可能更加重要,因為尺寸和重量在這些領(lǐng)域中更為關(guān)鍵。本文探討了碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等 WBG 元器件在這些應(yīng)用中的相對優(yōu)勢。

飛機電源轉(zhuǎn)換

隨著世界邁向更綠色的未來,人們一直專注于尋找可以減少傳統(tǒng)燃?xì)鈩恿︼w機排放的方法。目前考慮的一些方法包括:

· 多電飛機 (MEA):目標(biāo)是用電力驅(qū)動的部件(如燃料泵)替代部分機械或液壓驅(qū)動的發(fā)動機附件。
· 多電推進(jìn) (MEP):使用發(fā)電機為燃?xì)廨啓C提供混合動力輔助,從而降低燃料消耗。
· 全電飛機 (AEA):純電動飛機,任重道遠(yuǎn)。這些方法將首先應(yīng)用于小型飛機,例如直升機、城市空中交通 (UAM) 車輛和垂直起降 (VTOL) 飛機,例如計劃用作空中出租車的飛機。

在現(xiàn)代飛機中,功耗的增加要求燃?xì)廨啓C產(chǎn)生的輸入電壓提高到 230 VAC。該電壓由整流器轉(zhuǎn)換為 ±270 VDC 的直流鏈路電壓,也稱作 HVDC 電壓。然后用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 28 V 的 LVDC,用于運行駕駛艙顯示器、直流燃料泵等設(shè)備。正如電動汽車充電器行業(yè)中目前正在開發(fā)的 800 V 系統(tǒng),飛機領(lǐng)域也趨向于將電壓推高,以減少布線損耗。在飛機中,直流電壓可能會被推向千伏范圍,特別是在混合動力和 AEA 系統(tǒng)中。在功率方面,MEA 電源轉(zhuǎn)換器從 10 到 100 KW 不等,而混合動力和 AEA 電源轉(zhuǎn)換器必須在幾 MW 范圍內(nèi)。

飛機電力電子器件的主要要求和挑戰(zhàn)

· 尺寸、重量和功率損失 (SWaP):較低的 SWaP 指標(biāo)是關(guān)鍵,因為油耗、續(xù)航里程和整體能效與之直接相關(guān)。想想 AEA。在這種情況下,電池系統(tǒng)是發(fā)電系統(tǒng)中最重的部件。所需的電池尺寸取決于逆變器的效率。即使逆變器效率從 98% 到 99% 提高 1%,也能使能量密度為 250 Wh/kg 的典型電池所需的電池尺寸減少幾百公斤。另一個關(guān)鍵指標(biāo)是逆變器模塊的質(zhì)量功率密度 (kW/kg)。同樣,無源元器件以及轉(zhuǎn)換器有源器件所需的冷卻系統(tǒng)也可能又大又重。

· 在非增壓區(qū)域中,靠近發(fā)動機安裝的大功率電子器件面臨許多與熱和隔離有關(guān)的挑戰(zhàn)。有源器件的溫度需要顯著降額,其冷卻要求會給整架飛機的冷卻系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)。在高空,較低的電場下可能會發(fā)生局部放電,因此,半導(dǎo)體和模塊封裝以及隔離部件設(shè)計需要有足夠的余量。要確保耐受宇宙輻射,還可能需要對有源器件的電壓進(jìn)行大幅降額。

· 資格鑒定和可靠性標(biāo)準(zhǔn):DO-160 是在不同環(huán)境下測試航空電子硬件的規(guī)則。很少有商業(yè)成品 (COTS) 元器件通過這方面的認(rèn)證,這使得 OEM 和飛機制造商需要進(jìn)行資格鑒定并確保使用此類元器件。

寬帶隙 (WBG) 功率半導(dǎo)體在航空航天和衛(wèi)星領(lǐng)域使用的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的硅 (Si) 基器件相比,WBG 材料(如 SiC 和 GaN)具有許多優(yōu)勢,如圖 1 所示。


寬帶隙半導(dǎo)體在航空航天和衛(wèi)星方面的應(yīng)用
圖 1:Si、SiC 和 GaN 的材料特性比較。(圖片來源:Researchgate)


這些材料的優(yōu)點可轉(zhuǎn)化為飛機電力電子器件的諸多優(yōu)勢:

· 導(dǎo)熱率更高(特別是 SiC),使得更容易冷卻部件,例如用于控制發(fā)動機的部件。
· 系統(tǒng)電壓更高,減少了布線中的電阻損耗。對于 SiC 來說尤其如此,其商用器件的電壓可高達(dá) 3.3 kV,并且為了進(jìn)一步擴大這一范圍,人們正在積極進(jìn)行研究。
· 高溫下的可靠性提高。例如,已經(jīng)證明 SiC 可在 +200?C 下工作。
· 傳導(dǎo)和開關(guān)損耗較低。帶隙增加使得給定額定電壓下的漂移區(qū)減小,從而改善傳導(dǎo)損耗。此外,寄生電容較低能減少開關(guān)損耗,同時加快開關(guān)式壓擺率。
· 低寄生效應(yīng)還允許在更高頻率下工作。例如,1-5 kV SiC MOSFET 的開關(guān)頻率可以達(dá)到幾百 kHz,而 Si 的同等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能只有幾十 kHz。GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)器件的電壓雖然大多 <700 V,但屬于單極性,具有更多優(yōu)勢,沒有反向恢復(fù)損耗,并能在此 100 V 的范圍內(nèi)以幾 MHz 的頻率切換。高頻率的最大優(yōu)勢是能夠縮小磁鐵的尺寸。

圖 2 比較了 GaN 和硅基 100 kHz 升壓轉(zhuǎn)換器的效率。


寬帶隙半導(dǎo)體在航空航天和衛(wèi)星方面的應(yīng)用
圖 2:Si 和 GaN 100 kHz 升壓轉(zhuǎn)換器的效率比較。(圖片來源:Nexperia)


上述所有優(yōu)點直接導(dǎo)致 SWaP 指標(biāo)更好且功率密度更高。例如,使用更高額定電壓的器件產(chǎn)生更高的直流鏈路電壓,在轉(zhuǎn)換器直流鏈路電容器中產(chǎn)生更小的電容 RMS 電流,這可以減小其尺寸要求。更高的開關(guān)頻率允許使用更小外形尺寸的高頻平面磁性元件。在傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器中,磁性元器件可能占到總重量的 40-50%,隨著工作頻率更高的 WBG 有源器件的使用,這一比例正在下降。從逆變器的質(zhì)量功率密度來看,硅基風(fēng)冷轉(zhuǎn)換器的功率密度約為 10 kW/kg。隨著 WBG 的使用,在許多系統(tǒng)演示中,這一指標(biāo)已經(jīng)超過了 25 kW/kg,而且理論上,通過優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、直流鏈路電壓和開關(guān)頻率,可以實現(xiàn)高達(dá) 100 kW/kg 的密度。

使用寬帶隙 (WBG) 功率半導(dǎo)體面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決方案

然而,WBG 的上述優(yōu)勢也帶來許多亟需解決的挑戰(zhàn)。以下列舉了一些挑戰(zhàn)和目前正在探索的可能解決方案:

· 更高的功率密度直接導(dǎo)致發(fā)熱增加。高溫會降低電源轉(zhuǎn)換的效率,并可能引發(fā)可靠性問題,特別是當(dāng)溫度循環(huán)涉及高溫變化時。熱機械應(yīng)力會影響電源模塊的封裝可靠性,使導(dǎo)熱界面材料 (TIM)(如連接有源器件基板和散熱器的導(dǎo)熱膏)等散熱裝置變得不穩(wěn)定,并增加其熱阻。目前探索的一些解決方案包括:

 改進(jìn)封裝:采用銀燒結(jié)直接冷卻氮化鋁 (DBA) 基板提供雙面冷卻,可讓封裝實現(xiàn)更好的散熱。其他方法包括直接在 DBA 基板上對粉末合金散熱器進(jìn)行選擇性激光熔化 (SLM)。
 由于功率需求的增加,有源芯片的尺寸也隨之增加,使用并行芯片來實現(xiàn)相同的凈有效面積,對散熱有利。
· WBG 的開關(guān)轉(zhuǎn)換更快,雖然有利于減少開關(guān)損耗,但也會帶來更多的電磁干擾 (EMI) 風(fēng)險。這方面的解決方案包括:
   分布式濾波器單元能夠改善性能,并提供冗余。
   借助有源-無源混合型濾波器,用放大器來提高低頻,可以減少濾波器的凈尺寸并提高性能。
· 隨著額定電壓的增加,電源裝置的比電阻(RDS(ON) x A,其中 RDS(ON) 是導(dǎo)通電阻,A 是有效面積)會增加,因為必須有更厚的漂移區(qū)。例如,雖然 1200 V 的 SiC MOSFET 的高溫比電阻可以是 1 mOhm-mm2,但對于額定 6 kV 的器件,則能達(dá)到 10 mOhm-mm2。為了達(dá)到 RDS(ON) 目標(biāo),需要更大的器件或更多器件并聯(lián),這意味著芯片成本更高、開關(guān)損耗更大且冷卻要求更多??赡艿慕鉀Q方案:
  3 級或多級轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許使用額定電壓比直流鏈路電壓更低的器件。這與額定電壓在千伏以內(nèi)的 GaN 器件尤其相關(guān),在這種器件中,串入并出 (SIPO) 配置將輸入電壓分配到許多器件上,從而允許其使用。

GaN 和衛(wèi)星通信

在輻射處理能力方面,GaN HEMT 器件比 Si 和 SiC MOSFET 都要好:

· 柵電極下的 AlGaN 層不會像 MOSFET 中的 SiO2 柵氧化層那樣收集電荷。因此,增強型 GaN HEMT 的總電離劑量 (TID) 性能得以顯著改善,有報告稱工作時超過 1 Mrad,而在 Si/SiC 中通常為幾百 krad。
· 使用 GaN HEMT 也能改善二次電子效應(yīng) (SEE)。由于沒有空穴,因此可以將二次電子擾動 (SEU) 的風(fēng)險降到最低,而 Si 和 SiC 上出現(xiàn)柵極斷裂 (SEGR) 的風(fēng)險也會降到最低。
基于 GaN 的固態(tài)功率放大器 (SSPA) 在許多空間應(yīng)用中已基本取代了真空管器件,例如在近地軌道 (LEO) 衛(wèi)星中,尤其是在 C 到 Ku/Ka 的頻段。

總結(jié)

SiC 和 GaN 等 WBG 半導(dǎo)體用于航空航天和衛(wèi)星通信有很多優(yōu)點。隨著技術(shù)開發(fā)、使用和可靠性標(biāo)準(zhǔn)在地面電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中日趨成熟,這種半導(dǎo)體在航空航天和衛(wèi)星系統(tǒng)中的使用也將讓人更加放心。


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