作者：羅爾夫·霍恩

　　寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體在功率轉(zhuǎn)換方面具有多種優(yōu)勢，例如提高功率密度和效率，同時通過允許使用更小無源元件的更高頻率開關(guān)減小系統(tǒng)尺寸和重量。這些優(yōu)勢在尺寸和重量至關(guān)重要的航空航天和衛(wèi)星電源系統(tǒng)中更為重要。在本文中，我們探討了 WBG 組件的相對優(yōu)勢，例如 碳化硅 (碳化硅)和 氮化鎵 (GaN)在這些應(yīng)用中。

　　飛機功率轉(zhuǎn)換

　　隨著世界走向更綠色的未來，人們的注意力集中在減少傳統(tǒng)燃氣飛機排放的方法上。正在考慮的一些方法是：

　　更多電動飛機(MEA)：這里的目標(biāo)是用電動部件(例如燃油泵)取代一些機械或液壓驅(qū)動的發(fā)動機附件。

　　更多電力推進(MEP)：這里使用發(fā)電機為燃氣輪機提供混合動力輔助，從而降低燃料消耗。

　　全電動飛機(AEA)：一個更雄心勃勃的計劃，飛機是全電動的。這將從較小的飛機開始，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，功耗的增加需要將燃氣輪機產(chǎn)生的輸入電壓增加到 230 V交流.該電壓由整流器轉(zhuǎn)換為 ±270 V 的直流母線電壓直流，也稱為高壓直流電壓。然后使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 28 V 的 LVDC，用于運行駕駛艙顯示器、直流燃油泵等設(shè)備。就像現(xiàn)在正在開發(fā) 800 V 系統(tǒng)的汽車電動汽車充電器一樣，飛機的趨勢是將電壓推高以減少布線損耗。在飛機上，直流電壓可能會被推到kV范圍內(nèi)，特別是在混合動力推進和AEA系統(tǒng)中。在功率方面，MEA功率轉(zhuǎn)換器的范圍可以從10到100 KW，而混合動力推進和AEA功率轉(zhuǎn)換器必須在幾MW范圍內(nèi)。

　　飛機電力電子設(shè)備的關(guān)鍵要求和挑戰(zhàn)

　　尺寸、重量和功率損耗 (SWaP)：較低的 SWaP 指標(biāo)是關(guān)鍵，因為油耗、續(xù)航里程和整體效率與它們直接相關(guān)?？紤] AEA 的例子。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%提高到99%，也將能量密度為250 Wh / kg的典型電池所需的電池尺寸減少100 kg。逆變器模塊的重量功率密度(kW/kg)是另一個關(guān)鍵指標(biāo)。同樣，無源元件的尺寸和重量以及轉(zhuǎn)換器有源器件所需的冷卻系統(tǒng)也可能很大。

　　安裝在非加壓區(qū)域靠近發(fā)動機的大功率電子設(shè)備面臨著許多與散熱和隔離相關(guān)的挑戰(zhàn)。有源設(shè)備需要對溫度進行大幅降額，其冷卻要求可能會給整個飛機的冷卻系統(tǒng)帶來負擔(dān)。在高海拔地區(qū)，局部放電可能發(fā)生在較低的電場下，因此半導(dǎo)體和模塊封裝以及隔離元件的設(shè)計需要有足夠的裕量。確保對宇宙輻射暴露的耐受性還可能需要對有源器件進行顯著的電壓降額。

　　認證和可靠性標(biāo)準(zhǔn)：DO-160是在不同環(huán)境中測試航空電子設(shè)備硬件的規(guī)則。很少有商用現(xiàn)貨 (COTS) 組件獲得認證，領(lǐng)先的 OEM 和飛機制造商有資格并確保其使用。

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

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

　　圖 1：Si、SiC 和 GaN 的材料性能比較。(圖片來源：研究門)

　　這些材料優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為飛機電力電子設(shè)備的許多優(yōu)勢：

　　更高的導(dǎo)熱性，特別是在SiC中，使得冷卻用于控制發(fā)動機的零件更容易。

　　較高的系統(tǒng)電壓可降低布線中的歐姆損耗。對于SiC尤其如此，其中商用設(shè)備可提供高達3.3 kV的電壓，并積極研究旨在進一步擴展這一點。

　　提高高溫下的可靠性。例如，已經(jīng)演示了在碳化硅中+200°C的工作溫度。

　　更低的導(dǎo)通和開關(guān)損耗。較高的帶隙允許在給定電壓額定值下具有較小的漂移區(qū)域，從而改善傳導(dǎo)損耗。此外，較低的寄生電容可降低開關(guān)損耗，并加快開關(guān)壓擺率。

　　較低的寄生效應(yīng)也允許更高頻率的操作。例如，1-5 kV SiC MOSFET中的開關(guān)頻率可以在100 kHz，而Si中的等效拓撲結(jié)構(gòu)可能達到10 kHz。 GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)器件雖然主要在<700 V電壓范圍內(nèi)提供，但具有單極性，具有進一步的優(yōu)勢，沒有反向恢復(fù)損耗，并且能夠在該100伏范圍內(nèi)以幾MHz的頻率切換。更高頻率的最大優(yōu)點是能夠縮小磁性元件的尺寸。

　　圖2比較了GaN和Si基100 kHz升壓轉(zhuǎn)換器的效率。

　　圖 2：100 kHz 升壓轉(zhuǎn)換器的硅和氮化鎵效率比較。(圖片來源： 安世半導(dǎo)體)

　　上述所有優(yōu)勢都直接導(dǎo)致更好的SWaP指標(biāo)和更高的功率密度。例如，使用更高額定電壓器件產(chǎn)生的較高直流母線電壓在轉(zhuǎn)換器直流母線電容器中產(chǎn)生較小的電容RMS電流，這可以降低其尺寸要求。較高的開關(guān)頻率允許使用更小尺寸的高頻平面磁體。在傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器中，磁性元件可以占總重量的40-50%，并且隨著WBG有源器件的使用在更高頻率下工作，這一百分比正在下降。從逆變器的重量功率密度來看，基于硅的風(fēng)冷轉(zhuǎn)換器的范圍約為10 kW / kg。通過使用WBG，該指標(biāo)在許多系統(tǒng)演示中已超過25 kW / kg， 并且通過優(yōu)化拓撲、直流母線電壓和開關(guān)頻率，理論上可以實現(xiàn)高達 100 kW/kg 的密度。

　　寬帶隙(WBG)功率半導(dǎo)體使用的挑戰(zhàn)和潛在的解決方案

　　然而，世界銀行集團的上述優(yōu)勢確實轉(zhuǎn)化為許多需要解決的挑戰(zhàn)。以下是目前正在探索的一些挑戰(zhàn)和可能的解決方案：

　　更高的功率密度直接轉(zhuǎn)化為增加的熱量產(chǎn)生。高溫會降低功率轉(zhuǎn)換效率，也可能是一個可靠性問題，特別是當(dāng)溫度循環(huán)涉及高溫變化時。熱機械應(yīng)力會使導(dǎo)熱器(如將有源器件基板連接到散熱器的導(dǎo)熱硅脂等熱導(dǎo)熱導(dǎo)熱硅脂)變得不穩(wěn)定并增加其熱阻，從而影響功率模塊封裝的可靠性。正在探索的一些解決方案包括：

　　改進的封裝：使用直接冷卻的氮化鋁(DBA)基板和銀燒結(jié)提供雙面冷卻的封裝可改善散熱。其他方法包括將粉末合金散熱器直接熔化到DBA基板上的選擇性激光熔化(SLM)。

　　由于功率要求增加，有效芯片尺寸增加，使用平行芯片實現(xiàn)相同的凈有效面積有利于散熱。

　　WBG的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度更快，雖然有利于降低開關(guān)損耗，但確實會產(chǎn)生更多的電磁干擾(EMI)風(fēng)險。這方面的解決方案包括：

　　分布式過濾單元提供改進的性能，并可以提供冗余。

　　使用混合有源-無源濾波器和放大器來提升低頻可以減小凈濾波器尺寸并提高性能。

　　隨著額定電壓的升高，功率器件的比電阻(RDS(ON) x A， RDS(ON) 是導(dǎo)通電阻，A是有源區(qū)域)由于需要較厚的漂移區(qū)域而增加。例如，1200 V SiC MOSFET 的高溫比電阻可以是 1 mOhm-mm2，它可以達到10毫歐姆-毫米2 適用于額定電壓為 6 kV 的設(shè)備。需要更大的器件或更多的并聯(lián)器件來滿足 RDS(ON) 目標(biāo)，意味著更高的芯片成本、更多的開關(guān)損耗和更多的冷卻要求。一些解決方案包括：

　　使用 3 電平或多電平轉(zhuǎn)換器拓撲允許使用低于直流母線電壓的額定器件。這在額定值低于kV的GaN器件中尤其重要，其中串聯(lián)輸入并聯(lián)(SIPO)配置將輸入電壓分配給許多器件，從而允許其使用。

　　氮化鎵和衛(wèi)星通信

　　就其處理輻射的能力而言，GaN HEMT器件優(yōu)于Si和SiC MOSFET：

　　柵極下方的AlGaN層不像SiO那樣收集電荷2 柵極氧化物在MOSFET中起作用。因此，e模式GaN HEMT的總電離劑量(TID)性能得到顯著改善，據(jù)報道操作超過1 mrad(兆拉德)，而在Si / SiC中，這通常為數(shù)百克拉德(千拉德)。

　　二次電子效應(yīng)(SEE)也通過GaN HEMT得到改善。缺少空穴可將二次電子翻轉(zhuǎn)(SEU)的風(fēng)險降至最低，同時在Si和SiC(SEGR)上看到的柵極破裂風(fēng)險也降至最低。

　　在許多空間應(yīng)用中，基于GaN的固態(tài)功率放大器(SSPA)已在很大程度上取代了真空管器件，例如在低地球軌道(LEO)衛(wèi)星中，特別是在C至Ku/Ka頻段的頻率中。

　　結(jié)論

　　像SiC和GaN這樣的WBG半導(dǎo)體在用于航空航天和衛(wèi)星通信時有很多好處。隨著其技術(shù)開發(fā)、使用和可靠性標(biāo)準(zhǔn)在地面電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的成熟;在航空航天和衛(wèi)星系統(tǒng)中的使用也將建立更大的信心。