寬帶隙半導體在航空航天和衛(wèi)星方面的應用

寬帶隙 (WBG) 半導體在電源轉換方面具備幾個優(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，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域中更為關鍵。本文探討了碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等 WBG 元器件在這些應用中的相對優(yōu)勢。

寬帶隙 (WBG) 半導體在電源轉換方面具備幾個優(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，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域中更為關鍵。本文探討了碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等 WBG 元器件在這些應用中的相對優(yōu)勢。

飛機電源轉換

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)燃氣動力飛機排放的方法。目前考慮的一些方法包括：

· 多電飛機 (MEA)：目標是用電力驅動的部件（如燃料泵）替代部分機械或液壓驅動的發(fā)動機附件。
· 多電推進 (MEP)：使用發(fā)電機為燃氣輪機提供混合動力輔助，從而降低燃料消耗。
· 全電飛機 (AEA)：純電動飛機，任重道遠。這些方法將首先應用于小型飛機，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。

在現代飛機中，功耗的增加要求燃氣輪機產生的輸入電壓提高到 230 VAC。該電壓由整流器轉換為 ±270 VDC 的直流鏈路電壓，也稱作 HVDC 電壓。然后用 DC/DC 轉換器產生 28 V 的 LVDC，用于運行駕駛艙顯示器、直流燃料泵等設備。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 電源轉換器從 10 到 100 KW 不等，而混合動力和 AEA 電源轉換器必須在幾 MW 范圍內。

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 指標是關鍵，因為油耗、續(xù)航里程和整體能效與之直接相關。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。另一個關鍵指標是逆變器模塊的質量功率密度 (kW/kg)。同樣，無源元器件以及轉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)造成負擔。在高空，較低的電場下可能會發(fā)生局部放電，因此，半導體和模塊封裝以及隔離部件設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行大幅降額。

· 資格鑒定和可靠性標準：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證，這使得 OEM 和飛機制造商需要進行資格鑒定并確保使用此類元器件。

寬帶隙 (WBG) 功率半導體在航空航天和衛(wèi)星領域使用的優(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)點可轉化為飛機電力電子器件的諸多優(yōu)勢：

· 導熱率更高（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 3.3 kV，并且為了進一步擴大這一范圍，人們正在積極進行研究。
· 高溫下的可靠性提高。例如，已經證明 SiC 可在 +200?C 下工作。
· 傳導和開關損耗較低。帶隙增加使得給定額定電壓下的漂移區(qū)減小，從而改善傳導損耗。此外，寄生電容較低能減少開關損耗，同時加快開關式壓擺率。
· 低寄生效應還允許在更高頻率下工作。例如，1-5 kV SiC MOSFET 的開關頻率可以達到幾百 kHz，而 Si 的同等拓撲結構可能只有幾十 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，沒有反向恢復損耗，并能在此 100 V 的范圍內以幾 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 升壓轉換器的效率。

圖 2：Si 和 GaN 100 kHz 升壓轉換器的效率比較。（圖片來源：Nexperia）

上述所有優(yōu)點直接導致 SWaP 指標更好且功率密度更高。例如，使用更高額定電壓的器件產生更高的直流鏈路電壓，在轉換器直流鏈路電容器中產生更小的電容 RMS 電流，這可以減小其尺寸要求。更高的開關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。從逆變器的質量功率密度來看，硅基風冷轉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，這一指標已經超過了 25 kW/kg，而且理論上，通過優(yōu)化拓撲結構、直流鏈路電壓和開關頻率，可以實現高達 100 kW/kg 的密度。

使用寬帶隙 (WBG) 功率半導體面臨的挑戰(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致發(fā)熱增加。高溫會降低電源轉換的效率，并可能引發(fā)可靠性問題，特別是當溫度循環(huán)涉及高溫變化時。熱機械應力會影響電源模塊的封裝可靠性，使導熱界面材料 (TIM)（如連接有源器件基板和散熱器的導熱膏）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：

 改進封裝：采用銀燒結直接冷卻氮化鋁 (DBA) 基板提供雙面冷卻，可讓封裝實現更好的散熱。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相同的凈有效面積，對散熱有利。
· WBG 的開關轉換更快，雖然有利于減少開關損耗，但也會帶來更多的電磁干擾 (EMI) 風險。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，則能達到 10 mOhm-mm2。為了達到 RDS(ON) 目標，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、開關損耗更大且冷卻要求更多?？赡艿慕鉀Q方案：
  3 級或多級轉換器拓撲結構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的 GaN 器件尤其相關，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 (SEE)。由于沒有空穴，因此可以將二次電子擾動 (SEU) 的風險降到最低，而 Si 和 SiC 上出現柵極斷裂 (SEGR) 的風險也會降到最低。
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

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