【導(dǎo)讀】寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體在電源轉(zhuǎn)換方面具備幾個(gè)優(yōu)勢，如功率密度和效率更高，同時(shí)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(dòng)力系統(tǒng)中可能更加重要，因?yàn)槌叽绾椭亓吭谶@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(gè)優(yōu)勢，如功率密度和效率更高，同時(shí)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(dòng)力系統(tǒng)中可能更加重要，因?yàn)槌叽绾椭亓吭谶@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(jī)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?dòng)力飛機(jī)排放的方法。目前考慮的一些方法包括：
· 多電飛機(jī) (MEA)：目標(biāo)是用電力驅(qū)動(dòng)的部件（如燃料泵）替代部分機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)附件。
· 多電推進(jìn) (MEP)：使用發(fā)電機(jī)為燃?xì)廨啓C(jī)提供混合動(dòng)力輔助，從而降低燃料消耗。
· 全電飛機(jī) (AEA)：純電動(dòng)飛機(jī)，任重道遠(yuǎn)。這些方法將首先應(yīng)用于小型飛機(jī)，例如直升機(jī)、城市空中交通 (UAM) 車輛和垂直起降 (VTOL) 飛機(jī)，例如計(jì)劃用作空中出租車的飛機(jī)。
在現(xiàn)代飛機(jī)中，功耗的增加要求燃?xì)廨啓C(jī)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(yùn)行駕駛艙顯示器、直流燃料泵等設(shè)備。正如電動(dòng)汽車充電器行業(yè)中目前正在開發(fā)的 800 V 系統(tǒng)，飛機(jī)領(lǐng)域也趨向于將電壓推高，以減少布線損耗。在飛機(jī)中，直流電壓可能會(huì)被推向千伏范圍，特別是在混合動(dòng)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(dòng)力和 AEA 電源轉(zhuǎn)換器必須在幾 MW 范圍內(nèi)。
飛機(jī)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?yàn)橛秃摹⒗m(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(gè)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(dòng)機(jī)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(huì)給整架飛機(jī)的冷卻系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)。在高空，較低的電場下可能會(huì)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(jì)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(jī)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。
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(diǎn)可轉(zhuǎn)化為飛機(jī)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(dòng)機(jī)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(kuò)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(shí)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。
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(diǎn)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(shí)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(huì)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(shí)。熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)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(shí)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(shí)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(huì)帶來更多的電磁干擾 (EMI) 風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)增加，因?yàn)楸仨氂懈竦钠茀^(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。可能的解決方案：
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(huì)像 MOSFET 中的 SiO2 柵氧化層那樣收集電荷。因此，增強(qiáng)型 GaN HEMT 的總電離劑量 (TID) 性能得以顯著改善，有報(bào)告稱工作時(shí)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(dòng) (SEU) 的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，而 Si 和 SiC 上出現(xiàn)柵極斷裂 (SEGR) 的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)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(diǎn)。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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