在減少航空航天系統(tǒng)排放的競(jìng)賽中，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中更高效的電子設(shè)備，包括那些取代氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)的電子設(shè)備——從機(jī)載交流發(fā)電機(jī)到執(zhí)行器和輔助動(dòng)力裝置。

Microchip Technology 與歐盟委員會(huì)聯(lián)盟成員 Clean Sky 合作，開(kāi)發(fā)了一系列基于 SiC 的用于航空航天應(yīng)用的電源模塊，旨在實(shí)現(xiàn)更高效、更緊湊的電源轉(zhuǎn)換和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這些模塊(稱為 BL1、BL2 和 BL3)在專為嚴(yán)苛航空應(yīng)用而設(shè)計(jì)的改良基板上混合使用 1200V碳化硅 (SiC) MOSFET 和 1600V 二極管。電源模塊也可用于 Trench4Fast 硅 IGBT。

Microchip 的集成電源解決方案高級(jí)經(jīng)理 Mike Innab 指出，尺寸、重量和成本是航空電源轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。“更小的尺寸和更輕的重量通過(guò)更高效的飛行轉(zhuǎn)化為航空的長(zhǎng)期成本節(jié)約。這些以及初始成本在競(jìng)爭(zhēng)激烈的航空業(yè)中至關(guān)重要。產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)健性也很關(guān)鍵，”Innab 在接受采訪時(shí)說(shuō)。

航空業(yè)尋求用更小、維護(hù)成本更低的系統(tǒng)來(lái)取代大型、重型和高維護(hù)的氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)?！芭c氣動(dòng)或液壓系統(tǒng)相比，機(jī)電系統(tǒng)的總體運(yùn)營(yíng)成本要低得多，”Innab 說(shuō)?，F(xiàn)代“飛機(jī)現(xiàn)在有更多的電力電子設(shè)備，這使得對(duì)更小、更輕和更高效率的電力系統(tǒng)的需求變得更加必要。碳化硅半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。”

碳化硅MOSFET和二極管

為了在 2050 年之前達(dá)到歐洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)為氣候中和航空設(shè)定的排放限制，Microchip 的系列旨在通過(guò)集成其碳化硅功率半導(dǎo)體技術(shù)，在 AC-DC 和 DC-AC 功率轉(zhuǎn)換和發(fā)電方面提供更高的效率.

碳化硅承諾重量更輕的組件，以降低能耗和排放。SiC 還在更小、更輕的設(shè)備中為給定的電壓和電流額定值提供更高的功率密度。

與傳統(tǒng)硅相比，SiC 芯片具有更高的開(kāi)關(guān)速度，從而在更小的封裝中轉(zhuǎn)化為更高的功率效率。這也轉(zhuǎn)化為更低的損耗和更少的熱量產(chǎn)生。這些物理特性適用于更小尺寸的電力電子應(yīng)用，這是航空的關(guān)鍵要求。

“通過(guò)減小無(wú)源器件的尺寸和降低冷卻需求，更高的開(kāi)關(guān)頻率和更低的熱損失可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，”Innab 說(shuō)?！半娏D(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的能量存儲(chǔ) [電容器] 和磁性元件 [變壓器和電感器] 在尺寸和重量上 [按比例] 幾乎與開(kāi)關(guān)頻率的增加成正比，因此更高的可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率是由于使用 SiC 可產(chǎn)生更小更輕的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。”

更高的 SiC 開(kāi)關(guān)速度還通過(guò)最小化電流和電壓在其極端之間轉(zhuǎn)換時(shí)的周期來(lái)降低功耗。處于這種有損狀態(tài)的時(shí)間越少，整體功率損耗就越少。該因素還有助于降低系統(tǒng)冷卻要求。

“對(duì)于航空業(yè)來(lái)說(shuō)，SiC 仍然是新事物，其耐用性和預(yù)測(cè)長(zhǎng)期可靠性的能力至關(guān)重要，”Innab 補(bǔ)充道?！昂娇諛I(yè)采用新技術(shù)的速度通常很慢，因?yàn)閷?duì)任何特定新技術(shù)的信心都需要時(shí)間來(lái)充分發(fā)展?！?

Microchip 聲稱其改進(jìn)的基板無(wú)需金屬基板，與在 100W 至 10 kW 范圍內(nèi)運(yùn)行的現(xiàn)有電力電子設(shè)備相比，重量減輕了 40%。

BL1、BL2 和 BL3 設(shè)備符合美國(guó)聯(lián)邦航空管理局制定的機(jī)械和環(huán)境準(zhǔn)則。該系列包含碳化硅 MOSFET 和肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD) 以及 IGBT。它們采用扁平、低電感的外形尺寸，連接器直接安裝在 PCB 上，以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并提高整體系統(tǒng)可靠性。該布局允許并聯(lián)或三相橋接，用于更先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換器和逆變器。

“SBD 用于隔離高壓，而 SiC SBD 在更高的電壓下比 [silicon] 更穩(wěn)健，因?yàn)樗鼈兪菍拵镀骷?，”Innab 指出。

這些模塊有 75A 和 145A 碳化硅 MOSFET、50A 作為 IGBT 和 90A 作為整流二極管輸出。BL1、BL2 和 BL3 模塊具有多種拓?fù)溥x項(xiàng)，包括相腳、全橋、不對(duì)稱橋、升壓、降壓和雙共源。

雖然電力電子市場(chǎng)仍然依賴于標(biāo)準(zhǔn)硅，但隨著電力需求的增長(zhǎng)，新的 SiC 設(shè)計(jì)正在出現(xiàn)。碳化硅的介電強(qiáng)度是硅的 10 倍，使設(shè)備能夠在更高的電壓下運(yùn)行，滿足充電基礎(chǔ)設(shè)施、智能電網(wǎng)以及最近的航空等目標(biāo)市場(chǎng)的其他要求。