作者：罗尔夫·霍恩

　　宽带隙(WBG)半导体在功率转换方面具有多种优势，例如提高功率密度和效率，同时通过允许使用更小无源元件的更高频率开关减小系统尺寸和重量。这些优势在尺寸和重量至关重要的航空航天和卫星电源系统中更为重要。在本文中，我们探讨了 WBG 组件的相对优势，例如 碳化硅 (碳化硅)和 氮化镓 (GaN)在这些应用中。

　　飞机功率转换

　　随着世界走向更绿色的未来，人们的注意力集中在减少传统燃气飞机排放的方法上。正在考虑的一些方法是：

　　更多电动飞机(MEA)：这里的目标是用电动部件(例如燃油泵)取代一些机械或液压驱动的发动机附件。

　　更多电力推进(MEP)：这里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。

　　全电动飞机(AEA)：一个更雄心勃勃的计划，飞机是全电动的。这将从较小的飞机开始，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，功耗的增加需要将燃气轮机产生的输入电压增加到 230 V交流.该电压由整流器转换为 ±270 V 的直流母线电压直流，也称为高压直流电压。然后使用 DC/DC 转换器产生 28 V 的 LVDC，用于运行驾驶舱显示器、直流燃油泵等设备。就像现在正在开发 800 V 系统的汽车电动汽车充电器一样，飞机的趋势是将电压推高以减少布线损耗。在飞机上，直流电压可能会被推到kV范围内，特别是在混合动力推进和AEA系统中。在功率方面，MEA功率转换器的范围可以从10到100 KW，而混合动力推进和AEA功率转换器必须在几MW范围内。

　　飞机电力电子设备的关键要求和挑战

　　尺寸、重量和功率损耗 (SWaP)：较低的 SWaP 指标是关键，因为油耗、续航里程和整体效率与它们直接相关。考虑 AEA 的例子。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%提高到99%，也将能量密度为250 Wh / kg的典型电池所需的电池尺寸减少100 kg。逆变器模块的重量功率密度(kW/kg)是另一个关键指标。同样，无源元件的尺寸和重量以及转换器有源器件所需的冷却系统也可能很大。

　　安装在非加压区域靠近发动机的大功率电子设备面临着许多与散热和隔离相关的挑战。有源设备需要对温度进行大幅降额，其冷却要求可能会给整个飞机的冷却系统带来负担。在高海拔地区，局部放电可能发生在较低的电场下，因此半导体和模块封装以及隔离元件的设计需要有足够的裕量。确保对宇宙辐射暴露的耐受性还可能需要对有源器件进行显著的电压降额。

　　认证和可靠性标准：DO-160是在不同环境中测试航空电子设备硬件的规则。很少有商用现货 (COTS) 组件获得认证，领先的 OEM 和飞机制造商有资格并确保其使用。

　　宽带隙(WBG)功率半导体在航空航天和卫星中使用的优势

　　如图1所示，与传统的硅(Si)基器件相比，SiC和GaN等WBG材料具有许多优势。

　　图 1：Si、SiC 和 GaN 的材料性能比较。(图片来源：研究门)

　　这些材料优势转化为飞机电力电子设备的许多优势：

　　更高的导热性，特别是在SiC中，使得冷却用于控制发动机的零件更容易。

　　较高的系统电压可降低布线中的欧姆损耗。对于SiC尤其如此，其中商用设备可提供高达3.3 kV的电压，并积极研究旨在进一步扩展这一点。

　　提高高温下的可靠性。例如，已经演示了在碳化硅中+200°C的工作温度。

　　更低的导通和开关损耗。较高的带隙允许在给定电压额定值下具有较小的漂移区域，从而改善传导损耗。此外，较低的寄生电容可降低开关损耗，并加快开关压摆率。

　　较低的寄生效应也允许更高频率的操作。例如，1-5 kV SiC MOSFET中的开关频率可以在100 kHz，而Si中的等效拓扑结构可能达到10 kHz。 GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)器件虽然主要在<700 V电压范围内提供，但具有单极性，具有进一步的优势，没有反向恢复损耗，并且能够在该100伏范围内以几MHz的频率切换。更高频率的最大优点是能够缩小磁性元件的尺寸。

　　图2比较了GaN和Si基100 kHz升压转换器的效率。

　　图 2：100 kHz 升压转换器的硅和氮化镓效率比较。(图片来源： 安世半导体)

　　上述所有优势都直接导致更好的SWaP指标和更高的功率密度。例如，使用更高额定电压器件产生的较高直流母线电压在转换器直流母线电容器中产生较小的电容RMS电流，这可以降低其尺寸要求。较高的开关频率允许使用更小尺寸的高频平面磁体。在传统的功率转换器中，磁性元件可以占总重量的40-50%，并且随着WBG有源器件的使用在更高频率下工作，这一百分比正在下降。从逆变器的重量功率密度来看，基于硅的风冷转换器的范围约为10 kW / kg。通过使用WBG，该指标在许多系统演示中已超过25 kW / kg， 并且通过优化拓扑、直流母线电压和开关频率，理论上可以实现高达 100 kW/kg 的密度。

　　宽带隙(WBG)功率半导体使用的挑战和潜在的解决方案

　　然而，世界银行集团的上述优势确实转化为许多需要解决的挑战。以下是目前正在探索的一些挑战和可能的解决方案：

　　更高的功率密度直接转化为增加的热量产生。高温会降低功率转换效率，也可能是一个可靠性问题，特别是当温度循环涉及高温变化时。热机械应力会使导热器(如将有源器件基板连接到散热器的导热硅脂等热导热导热硅脂)变得不稳定并增加其热阻，从而影响功率模块封装的可靠性。正在探索的一些解决方案包括：

　　改进的封装：使用直接冷却的氮化铝(DBA)基板和银烧结提供双面冷却的封装可改善散热。其他方法包括将粉末合金散热器直接熔化到DBA基板上的选择性激光熔化(SLM)。

　　由于功率要求增加，有效芯片尺寸增加，使用平行芯片实现相同的净有效面积有利于散热。

　　WBG的开关转换速度更快，虽然有利于降低开关损耗，但确实会产生更多的电磁干扰(EMI)风险。这方面的解决方案包括：

　　分布式过滤单元提供改进的性能，并可以提供冗余。

　　使用混合有源-无源滤波器和放大器来提升低频可以减小净滤波器尺寸并提高性能。

　　随着额定电压的升高，功率器件的比电阻(RDS(ON) x A， RDS(ON) 是导通电阻，A是有源区域)由于需要较厚的漂移区域而增加。例如，1200 V SiC MOSFET 的高温比电阻可以是 1 mOhm-mm2，它可以达到10毫欧姆-毫米2 适用于额定电压为 6 kV 的设备。需要更大的器件或更多的并联器件来满足 RDS(ON) 目标，意味着更高的芯片成本、更多的开关损耗和更多的冷却要求。一些解决方案包括：

　　使用 3 电平或多电平转换器拓扑允许使用低于直流母线电压的额定器件。这在额定值低于kV的GaN器件中尤其重要，其中串联输入并联(SIPO)配置将输入电压分配给许多器件，从而允许其使用。

　　氮化镓和卫星通信

　　就其处理辐射的能力而言，GaN HEMT器件优于Si和SiC MOSFET：

　　栅极下方的AlGaN层不像SiO那样收集电荷2 栅极氧化物在MOSFET中起作用。因此，e模式GaN HEMT的总电离剂量(TID)性能得到显着改善，据报道操作超过1 mrad(兆拉德)，而在Si / SiC中，这通常为数百克拉德(千拉德)。

　　二次电子效应(SEE)也通过GaN HEMT得到改善。缺少空穴可将二次电子翻转(SEU)的风险降至最低，同时在Si和SiC(SEGR)上看到的栅极破裂风险也降至最低。

　　在许多空间应用中，基于GaN的固态功率放大器(SSPA)已在很大程度上取代了真空管器件，例如在低地球轨道(LEO)卫星中，特别是在C至Ku/Ka频段的频率中。

　　结论

　　像SiC和GaN这样的WBG半导体在用于航空航天和卫星通信时有很多好处。随着其技术开发、使用和可靠性标准在地面电力转换应用中的成熟;在航空航天和卫星系统中的使用也将建立更大的信心。