碳化硅器件提高飛機(jī)電源系統(tǒng)效率

碳化硅 (SiC) 是一種下一代材料，計(jì)劃顯著降低功率損耗并實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、電壓、溫度和頻率，同時(shí)減少散熱。高溫可操作性降低了冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而降低了電源系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

與過去幾十年相比，航空業(yè)最近經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)，到 2020 年，預(yù)計(jì)空中交通量將以每年 5% 的速度增長(zhǎng)。新的航空航天世界在用于電源和電機(jī)控制的 SiC 器件中找到了新的電源管理解決方案。

碳化硅有望在航空工業(yè)中降低重量和減少燃料消耗和排放，例如，碳化硅 MOSFET 在更高工作溫度下的穩(wěn)定操作性吸引了研究人員對(duì)高功率密度功率轉(zhuǎn)換器的興趣。 

飛機(jī)用碳化硅器件

More Electric Aircraft (MEA) 十多年來一直是航空工業(yè)的研發(fā)課題，代表了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一場(chǎng)革命。結(jié)果導(dǎo)致新的電源解決方案從主要的輔助支持網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到顯著更高的能源需求，不僅為飛行娛樂系統(tǒng)（后部平面屏幕）供電，還為環(huán)境控制設(shè)備、電動(dòng)機(jī)和無數(shù)安全系統(tǒng)供電和整個(gè)飛機(jī)的傳感器。

使用 SiC 和氮化鎵 (GaN) 等材料開發(fā)能夠承受高電壓和電流的新型半導(dǎo)體器件，為電力電子技術(shù)帶來了決定性的積極變化。SiC具有寬帶隙、高導(dǎo)熱性和高抗電場(chǎng)破壞能力，有助于降低功率損耗。除航空航天領(lǐng)域外，一個(gè)特定的應(yīng)用領(lǐng)域是電動(dòng)汽車，其中對(duì)更大的緊湊性、高功率密度和高溫運(yùn)行的需求至關(guān)重要。

硅一直是許多應(yīng)用中的主要技術(shù)，但隨著這些新型寬帶功率半導(dǎo)體（特別是 SiC MOSFET 和 SiC 二極管）的出現(xiàn)，與傳統(tǒng)的硅基技術(shù)相比，電力電子設(shè)計(jì)人員可以利用新的更高開關(guān)速度并降低損耗.

此外，SiC MOSFET 技術(shù)有望顯著減小航空電子電源開關(guān)的尺寸和重量，顯著降低燃料消耗和排放，符合各國(guó)政府的目標(biāo)。航空業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到 SiC 的潛在優(yōu)勢(shì)，它對(duì)電源系統(tǒng)的所有領(lǐng)域都有明顯的影響。

在飛機(jī)上，我們可以識(shí)別各種使用電源組件的電子系統(tǒng)。AC/DC 和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器用于高壓和低壓 (28 V) 的各種解決方案。

使用 SiC 器件的電力電子和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題之一是柵極驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)電路的管理。管理門控時(shí)序是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一種方法是平衡 SiC 器件的速度，以確保將損耗保持在最低水平，這可以通過精確的柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

在過去幾年中，市場(chǎng)上來自多家供應(yīng)商的 1,200-V SiC MOSFET 在高溝道遷移率、氧化物壽命和閾值電壓穩(wěn)定性方面達(dá)到了出色的質(zhì)量水平。

飛機(jī)解決方案

例如，Microchip Technology Inc. 通過其 Microsemi 子公司推出的新一代 1,200-V SiC MOSFET 和 1,200-V SiC 肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD) 適用于商用開關(guān)模式的電源和控制應(yīng)用航空領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域也是如此。一個(gè)例子是 40-mΩ MSC040SMA120B MOSFET，它提供高短路電阻以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

SiC MOSFET 和 SiC SBD 的設(shè)計(jì)具有在額定電流下非鉗位感應(yīng)開關(guān) (UIS) 的高重復(fù)能力，不會(huì)出現(xiàn)退化或故障。在車載充電和 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中集成 SiC 器件可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更低的損耗。

評(píng)估 SiC MOSFET 的一個(gè)重要參數(shù)是雪崩耐用性，它通過 UIS 測(cè)試進(jìn)行評(píng)估。雪崩能量顯示了 MOSFET 在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)有時(shí)會(huì)發(fā)生瞬變的能力。

SiC MOSFET 的故障時(shí)間 (FIT) 速度比 IGBT 低 10 倍。它們提供相似的標(biāo)稱電壓，而 SBD 完善了 SiC MOSFET 的穩(wěn)健性，其 UIS 值比其他典型解決方案高 20%。與 IGBT 相比，它們還可以在更高的開關(guān)頻率下提供更好的效率、減小的系統(tǒng)尺寸和重量、高溫運(yùn)行穩(wěn)定性 (175°C)，并顯著節(jié)省冷卻成本。

由于碳化硅具有比硅更高的臨界破裂場(chǎng)，因此 SiC MOSFET 可以在比硅 MOSFET 更小的封裝中實(shí)現(xiàn)相同的額定電壓。Solid State Devices Inc. (SSDI)的SFC35N120就是一個(gè)例子。1,200-V SiC 功率 MOSFET 提供低于 30 ns 的典型快速開關(guān)速度。該器件在 150°C 時(shí)的最大電阻為 190 mΩ，有助于并行配置并減少對(duì)風(fēng)扇和散熱器等熱管理硬件的需求。 

Analog Devices Inc. 與 Microsemi 之間的合作將首款用于 SiC 半橋電源模塊的高功率評(píng)估板推向市場(chǎng)，其開關(guān)頻率高達(dá) 1,200 V 和 50 A @ 200 kHz。該卡旨在提高設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)減少創(chuàng)建額外原型的需要以節(jié)省時(shí)間，以及降低成本和上市時(shí)間。大功率評(píng)估板適用于電動(dòng)汽車 (EV) 充電、車載 EV/HEV 充電、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、開關(guān)模式電源、大功率電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、航空、磁共振和X 射線。

來自 Cree 公司 Wolfspeed的 1,200-V CAS325M12HM2 SiC 電源模塊配置為 SiC 半橋拓?fù)?，代表了采用高性?62-mm 封裝的新一代全 SiC 電源模塊。該模塊使用 1,200-V C2M SiC MOSFET 和 1,200-V 肖特基二極管。SiC 器件卓越的熱特性以及設(shè)計(jì)和封裝材料使該模塊能夠在 175°C 下運(yùn)行，這對(duì)于許多工業(yè)、航空航天和汽車應(yīng)用來說是一個(gè)至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì)。

與硅 MOSFET 和 IGBT 解決方案相比，SiC MOSFET 和 SiC SBD 產(chǎn)品線提高了電源系統(tǒng)的效率，同時(shí)降低了總擁有成本，允許擴(kuò)展系統(tǒng)以及更小、更便宜的冷卻。

基于 SiC 的開關(guān)器件的主要優(yōu)勢(shì)之一是在惡劣環(huán)境 (600°C) 中運(yùn)行，在這些環(huán)境中，傳統(tǒng)的硅基電子設(shè)備無法工作。碳化硅在高溫、高功率和高輻射條件下運(yùn)行的能力將提高各種系統(tǒng)和應(yīng)用的性能，包括飛機(jī)、車輛、通信設(shè)備和航天器。

今天，SiC MOSFET 是長(zhǎng)期可靠的功率器件。未來，預(yù)計(jì)多芯片電源或混合模塊將在 SiC 領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。