宽带隙半导体在航空航天和卫星方面的应用
作者：Rolf Horn
宽带隙 (WBG) 半导体在电源转换方面具备几个优势，如功率密度和效率更高，同时可通过允许使用更小无源元器件的高频开关，减少系统尺寸和重量。这些优势在航空航天和卫星动力系统中可能更加重要，因为尺寸和重量在这些领域中更为关键。本文探讨了碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等 WBG 元器件在这些应用中的相对优势。
飞机电源转换
随着世界迈向更绿色的未来，人们一直专注于寻找可以减少传统燃气动力飞机排放的方法。目前考虑的一些方法包括：
· 多电飞机 (MEA)：目标是用电力驱动的部件（如燃料泵）替代部分机械或液压驱动的发动机附件。
· 多电推进 (MEP)：使用发电机为燃气轮机提供混合动力辅助，从而降低燃料消耗。
· 全电飞机 (AEA)：纯电动飞机，任重道远。这些方法将首先应用于小型飞机，例如直升机、城市空中交通 (UAM) 车辆和垂直起降 (VTOL) 飞机，例如计划用作空中出租车的飞机。
在现代飞机中，功耗的增加要求燃气轮机产生的输入电压提高到 230 VAC。该电压由整流器转换为 ±270 VDC 的直流链路电压，也称作 HVDC 电压。然后用 DC/DC 转换器产生 28 V 的 LVDC，用于运行驾驶舱显示器、直流燃料泵等设备。正如电动汽车充电器行业中目前正在开发的 800 V 系统，飞机领域也趋向于将电压推高，以减少布线损耗。在飞机中，直流电压可能会被推向千伏范围，特别是在混合动力和 AEA 系统中。在功率方面，MEA 电源转换器从 10 到 100 KW 不等，而混合动力和 AEA 电源转换器必须在几 MW 范围内。
飞机电力电子器件的主要要求和挑战
· 尺寸、重量和功率损失 (SWaP)：较低的 SWaP 指标是关键，因为油耗、续航里程和整体能效与之直接相关。想想 AEA。在这种情况下，电池系统是发电系统中最重的部件。所需的电池尺寸取决于逆变器的效率。即使逆变器效率从 98% 到 99% 提高 1%，也能使能量密度为 250 Wh/kg 的典型电池所需的电池尺寸减少几百公斤。另一个关键指标是逆变器模块的质量功率密度 (kW/kg)。同样，无源元器件以及转换器有源器件所需的冷却系统也可能又大又重。
· 在非增压区域中，靠近发动机安装的大功率电子器件面临许多与热和隔离有关的挑战。有源器件的温度需要显著降额，其冷却要求会给整架飞机的冷却系统造成负担。在高空，较低的电场下可能会发生局部放电，因此，半导体和模块封装以及隔离部件设计需要有足够的余量。要确保耐受宇宙辐射，还可能需要对有源器件的电压进行大幅降额。
· 资格鉴定和可靠性标准：DO-160 是在不同环境下测试航空电子硬件的规则。很少有商业成品 (COTS) 元器件通过这方面的认证，这使得 OEM 和飞机制造商需要进行资格鉴定并确保使用此类元器件。
宽带隙 (WBG) 功率半导体在航空航天和卫星领域使用的优势
与传统的硅 (Si) 基器件相比，WBG 材料（如 SiC 和 GaN）具有许多优势，如图 1 所示。
图 1：Si、SiC 和 GaN 的材料特性比较。（图片来源：Researchgate）
这些材料的优点可转化为飞机电力电子器件的诸多优势：
· 导热率更高（特别是 SiC），使得更容易冷却部件，例如用于控制发动机的部件。
· 系统电压更高，减少了布线中的电阻损耗。对于 SiC 来说尤其如此，其商用器件的电压可高达 3.3 kV，并且为了进一步扩大这一范围，人们正在积极进行研究。
· 高温下的可靠性提高。例如，已经证明 SiC 可在 +200˚C 下工作。
· 传导和开关损耗较低。带隙增加使得给定额定电压下的漂移区减小，从而改善传导损耗。此外，寄生电容较低能减少开关损耗，同时加快开关式压摆率。
· 低寄生效应还允许在更高频率下工作。例如，1-5 kV SiC MOSFET 的开关频率可以达到几百 kHz，而 Si 的同等拓扑结构可能只有几十 kHz。GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）器件的电压虽然大多 <700 V，但属于单极性，具有更多优势，没有反向恢复损耗，并能在此 100 V 的范围内以几 MHz 的频率切换。高频率的最大优势是能够缩小磁铁的尺寸。
图 2 比较了 GaN 和硅基 100 kHz 升压转换器的效率。
图 2：Si 和 GaN 100 kHz 升压转换器的效率比较。（图片来源：Nexperia）
上述所有优点直接导致 SWaP 指标更好且功率密度更高。例如，使用更高额定电压的器件产生更高的直流链路电压，在转换器直流链路电容器中产生更小的电容 RMS 电流，这可以减小其尺寸要求。更高的开关频率允许使用更小外形尺寸的高频平面磁性元件。在传统的电源转换器中，磁性元器件可能占到总重量的 40-50%，随着工作频率更高的 WBG 有源器件的使用，这一比例正在下降。从逆变器的质量功率密度来看，硅基风冷转换器的功率密度约为 10 kW/kg。随着 WBG 的使用，在许多系统演示中，这一指标已经超过了 25 kW/kg，而且理论上，通过优化拓扑结构、直流链路电压和开关频率，可以实现高达 100 kW/kg 的密度。
使用宽带隙 (WBG) 功率半导体面临的挑战和可能的解决方案
然而，WBG 的上述优势也带来许多亟需解决的挑战。以下列举了一些挑战和目前正在探索的可能解决方案：
· 更高的功率密度直接导致发热增加。高温会降低电源转换的效率，并可能引发可靠性问题，特别是当温度循环涉及高温变化时。热机械应力会影响电源模块的封装可靠性，使导热界面材料 (TIM)（如连接有源器件基板和散热器的导热膏）等散热装置变得不稳定，并增加其热阻。目前探索的一些解决方案包括：
改进封装：采用银烧结直接冷却氮化铝 (DBA) 基板提供双面冷却，可让封装实现更好的散热。其他方法包括直接在 DBA 基板上对粉末合金散热器进行选择性激光熔化 (SLM)。
由于功率需求的增加，有源芯片的尺寸也随之增加，使用并行芯片来实现相同的净有效面积，对散热有利。
· WBG 的开关转换更快，虽然有利于减少开关损耗，但也会带来更多的电磁干扰 (EMI) 风险。这方面的解决方案包括：
分布式滤波器单元能够改善性能，并提供冗余。
借助有源-无源混合型滤波器，用放大器来提高低频，可以减少滤波器的净尺寸并提高性能。
· 随着额定电压的增加，电源装置的比电阻（RDS(ON) x A，其中 RDS(ON) 是导通电阻，A 是有效面积）会增加，因为必须有更厚的漂移区。例如，虽然 1200 V 的 SiC MOSFET 的高温比电阻可以是 1 mOhm-mm2，但对于额定 6 kV 的器件，则能达到 10 mOhm-mm2。为了达到 RDS(ON) 目标，需要更大的器件或更多器件并联，这意味着芯片成本更高、开关损耗更大且冷却要求更多。可能的解决方案：
3 级或多级转换器拓扑结构允许使用额定电压比直流链路电压更低的器件。这与额定电压在千伏以内的 GaN 器件尤其相关，在这种器件中，串入并出 (SIPO) 配置将输入电压分配到许多器件上，从而允许其使用。
GaN 和卫星通信
在辐射处理能力方面，GaN HEMT 器件比 Si 和 SiC MOSFET 都要好：
· 栅电极下的 AlGaN 层不会像 MOSFET 中的 SiO2 栅氧化层那样收集电荷。因此，增强型 GaN HEMT 的总电离剂量 (TID) 性能得以显著改善，有报告称工作时超过 1 Mrad，而在 Si/SiC 中通常为几百 krad。
· 使用 GaN HEMT 也能改善二次电子效应 (SEE)。由于没有空穴，因此可以将二次电子扰动 (SEU) 的风险降到最低，而 Si 和 SiC 上出现栅极断裂 (SEGR) 的风险也会降到最低。
基于 GaN 的固态功率放大器 (SSPA) 在许多空间应用中已基本取代了真空管器件，例如在近地轨道 (LEO) 卫星中，尤其是在 C 到 Ku/Ka 的频段。
总结
SiC 和 GaN 等 WBG 半导体用于航空航天和卫星通信有很多优点。随着技术开发、使用和可靠性标准在地面电源转换应用中日趋成熟，这种半导体在航空航天和卫星系统中的使用也将让人更加放心。
