【導讀】寬帶隙 (WBG) 半ban導dao體ti在zai電dian源yuan轉zhuan換huan方fang麵mian具ju備bei幾ji個ge優you勢shi，如ru功gong率lv密mi度du和he效xiao率lv更geng高gao，同tong時shi可ke通tong過guo允yun許xu使shi用yong更geng小xiao無wu源yuan元yuan器qi件jian的de高gao頻pin開kai關guan，減jian少shao係xi統tong尺chi寸cun和he重zhong量liang。這zhe些xie優you勢shi在zai航hang空kong航hang天tian和he衛wei星xing動dong力li係xi統tong中zhong可ke能neng更geng加jia重zhong要yao，因yin為wei尺chi寸cun和he重zhong量liang在zai這zhe些xie領ling域yu中zhong更geng為wei關guan鍵jian。本ben文wen探tan討tao了le碳tan化hua矽gui (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等 WBG 元器件在這些應用中的相對優勢。

寬帶隙 (WBG) 半ban導dao體ti在zai電dian源yuan轉zhuan換huan方fang麵mian具ju備bei幾ji個ge優you勢shi，如ru功gong率lv密mi度du和he效xiao率lv更geng高gao

，同tong時shi可ke通tong過guo允yun許xu使shi用yong更geng小xiao無wu源yuan元yuan器qi件jian的de高gao頻pin開kai關guan
，減jian少shao係xi統tong尺chi寸cun和he重zhong量liang。這zhe些xie優you勢shi在zai航hang空kong航hang天tian和he衛wei星xing動dong力li係xi統tong中zhong可ke能neng更geng加jia重zhong要yao
，因yin為wei尺chi寸cun和he重zhong量liang在zai這zhe些xie領ling域yu中zhong更geng為wei關guan鍵jian。本ben文wen探tan討tao了le碳tan化hua矽gui (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等 WBG 元器件在這些應用中的相對優勢。

飛機電源轉換

隨著世界邁向更綠色的未來，人們一直專注於尋找可以減少傳統燃氣動力飛機排放的方法。目前考慮的一些方法包括：

· 多電飛機 (MEA)：目標是用電力驅動的部件（如燃料泵）替代部分機械或液壓驅動的發動機附件。
· 多電推進 (MEP)：使用發電機為燃氣輪機提供混合動力輔助，從而降低燃料消耗。
· 全電飛機 (AEA)：純電動飛機，任重道遠。這些方法將首先應用於小型飛機
，例如直升機


、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。

在現代飛機中，功耗的增加要求燃氣輪機產生的輸入電壓提高到 230 VAC。該電壓由整流器轉換為 ±270 VDC 的直流鏈路電壓，也稱作 HVDC 電壓。然後用 DC/DC 轉換器產生 28 V 的 LVDC

，用於運行駕駛艙顯示器、直流燃料泵等設備。正如電動汽車充電器行業中目前正在開發的 800 V 係統，飛機領域也趨向於將電壓推高，以減少布線損耗。在飛機中，直流電壓可能會被推向千伏範圍，特別是在混合動力和 AEA 係統中。在功率方麵，MEA 電源轉換器從 10 到 100 KW 不等，而混合動力和 AEA 電源轉換器必須在幾 MW 範圍內。

飛機電力電子器件的主要要求和挑戰

· 尺寸、重量和功率損失 (SWaP)：較低的 SWaP 指標是關鍵，因為油耗、續航裏程和整體能效與之直接相關。想想 AEA。在這種情況下，電池係統是發電係統中最重的部件。所需的電池尺寸取決於逆變器的效率。即使逆變器效率從 98% 到 99% 提高 1%，也能使能量密度為 250 Wh/kg 的典型電池所需的電池尺寸減少幾百公斤。另一個關鍵指標是逆變器模塊的質量功率密度 (kW/kg)。同樣，無源元器件以及轉換器有源器件所需的冷卻係統也可能又大又重。

· 在(zai)非(fei)增(zeng)壓(ya)區(qu)域(yu)中(zhong)，靠(kao)近(jin)發(fa)動(dong)機(ji)安(an)裝(zhuang)的(de)大(da)功(gong)率(lv)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)麵(mian)臨(lin)許(xu)多(duo)與(yu)熱(re)和(he)隔(ge)離(li)有(you)關(guan)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)溫(wen)度(du)需(xu)要(yao)顯(xian)著(zhu)降(jiang)額(e)，其(qi)冷(leng)卻(que)要(yao)求(qiu)會(hui)給(gei)整(zheng)架(jia)飛(fei)機(ji)的(de)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)造(zao)成(cheng)負(fu)擔(dan)。在(zai)高(gao)空(kong)
，較(jiao)低(di)的(de)電(dian)場(chang)下(xia)可(ke)能(neng)會(hui)發(fa)生(sheng)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)
，因(yin)此(ci)，半(ban)導(dao)體(ti)和(he)模(mo)塊(kuai)封(feng)裝(zhuang)以(yi)及(ji)隔(ge)離(li)部(bu)件(jian)設(she)計(ji)需(xu)要(yao)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)餘(yu)量(liang)。要(yao)確(que)保(bao)耐(nai)受(shou)宇(yu)宙(zhou)輻(fu)射(she)，還(hai)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)對(dui)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)的(de)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)大(da)幅(fu)降(jiang)額(e)。

· 資格鑒定和可靠性標準：DO-160 是在不同環境下測試航空電子硬件的規則。很少有商業成品 (COTS) 元器件通過這方麵的認證
，這使得 OEM 和飛機製造商需要進行資格鑒定並確保使用此類元器件。

寬帶隙 (WBG) 功率半導體在航空航天和衛星領域使用的優勢

與傳統的矽 (Si) 基器件相比
，WBG 材料（如 SiC 和 GaN）具有許多優勢，如圖 1 所示。

圖 1：Si、SiC 和 GaN 的材料特性比較。（圖片來源：Researchgate）

這些材料的優點可轉化為飛機電力電子器件的諸多優勢：

· 導熱率更高（特別是 SiC），使得更容易冷卻部件，例如用於控製發動機的部件。
· 係統電壓更高
，減少了布線中的電阻損耗。對於 SiC 來說尤其如此，其商用器件的電壓可高達 3.3 kV，並且為了進一步擴大這一範圍，人們正在積極進行研究。
· 高溫下的可靠性提高。例如
，已經證明 SiC 可在 +200˚C 下工作。
· chuandaohekaiguansunhaojiaodi。daixizengjiashidegeidingedingdianyaxiadepiaoyiqujianxiao
，congergaishanchuandaosunhao。ciwai，jishengdianrongjiaodinengjianshaokaiguansunhao，tongshijiakuaikaiguanshiyabailv。
· 低寄生效應還允許在更高頻率下工作。例如
，1-5 kV SiC MOSFET 的開關頻率可以達到幾百 kHz
，而 Si 的同等拓撲結構可能隻有幾十 kHz。GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）器件的電壓雖然大多 <700 V，但屬於單極性，具有更多優勢
，沒有反向恢複損耗，並能在此 100 V 的範圍內以幾 MHz 的頻率切換。高頻率的最大優勢是能夠縮小磁鐵的尺寸。

圖 2 比較了 GaN 和矽基 100 kHz 升壓轉換器的效率。

圖 2：Si 和 GaN 100 kHz 升壓轉換器的效率比較。（圖片來源：Nexperia）

上述所有優點直接導致 SWaP 指標更好且功率密度更高。例如
，使用更高額定電壓的器件產生更高的直流鏈路電壓，在轉換器直流鏈路電容器中產生更小的電容 RMS dianliu
，zhekeyijianxiaoqichicunyaoqiu。genggaodekaiguanpinlvyunxushiyonggengxiaowaixingchicundegaopinpingmiancixingyuanjian。zaichuantongdedianyuanzhuanhuanqizhong，cixingyuanqijiankenengzhandaozongzhongliangde 40-50%，隨著工作頻率更高的 WBG 有源器件的使用
，這一比例正在下降。從逆變器的質量功率密度來看，矽基風冷轉換器的功率密度約為 10 kW/kg。隨著 WBG 的使用，在許多係統演示中，這一指標已經超過了 25 kW/kg，而且理論上，通過優化拓撲結構
、直流鏈路電壓和開關頻率
，可以實現高達 100 kW/kg 的密度。

使用寬帶隙 (WBG) 功率半導體麵臨的挑戰和可能的解決方案

然而，WBG 的上述優勢也帶來許多亟需解決的挑戰。以下列舉了一些挑戰和目前正在探索的可能解決方案：

· 更geng高gao的de功gong率lv密mi度du直zhi接jie導dao致zhi發fa熱re增zeng加jia。高gao溫wen會hui降jiang低di電dian源yuan轉zhuan換huan的de效xiao率lv，並bing可ke能neng引yin發fa可ke靠kao性xing問wen題ti
，特te別bie是shi當dang溫wen度du循xun環huan涉she及ji高gao溫wen變bian化hua時shi。熱re機ji械xie應ying力li會hui影ying響xiang電dian源yuan模mo塊kuai的de封feng裝zhuang可ke靠kao性xing，使shi導dao熱re界jie麵mian材cai料liao (TIM)（如連接有源器件基板和散熱器的導熱膏）等散熱裝置變得不穩定，並增加其熱阻。目前探索的一些解決方案包括：

 改進封裝：采用銀燒結直接冷卻氮化鋁 (DBA) 基板提供雙麵冷卻，可讓封裝實現更好的散熱。其他方法包括直接在 DBA 基板上對粉末合金散熱器進行選擇性激光熔化 (SLM)。
 由於功率需求的增加
，有源芯片的尺寸也隨之增加，使用並行芯片來實現相同的淨有效麵積
，對散熱有利。
· WBG 的開關轉換更快，雖然有利於減少開關損耗

，但也會帶來更多的電磁幹擾 (EMI) 風險。這方麵的解決方案包括：
   分布式濾波器單元能夠改善性能，並提供冗餘。
   借助有源-無源混合型濾波器，用放大器來提高低頻，可以減少濾波器的淨尺寸並提高性能。
· 隨著額定電壓的增加，電源裝置的比電阻（RDS(ON) x A，其中 RDS(ON) 是導通電阻，A 是有效麵積）會增加，因為必須有更厚的漂移區。例如，雖然 1200 V 的 SiC MOSFET 的高溫比電阻可以是 1 mOhm-mm2，但對於額定 6 kV 的器件，則能達到 10 mOhm-mm2。為了達到 RDS(ON) 目標
，需要更大的器件或更多器件並聯，這意味著芯片成本更高
、開關損耗更大且冷卻要求更多。可能的解決方案：
  3 級或多級轉換器拓撲結構允許使用額定電壓比直流鏈路電壓更低的器件。這與額定電壓在千伏以內的 GaN 器件尤其相關，在這種器件中，串入並出 (SIPO) 配置將輸入電壓分配到許多器件上
，從而允許其使用。

GaN 和衛星通信

在輻射處理能力方麵
，GaN HEMT 器件比 Si 和 SiC MOSFET 都要好：

· 柵電極下的 AlGaN 層不會像 MOSFET 中的 SiO2 柵氧化層那樣收集電荷。因此
，增強型 GaN HEMT 的總電離劑量 (TID) 性能得以顯著改善，有報告稱工作時超過 1 Mrad，而在 Si/SiC 中通常為幾百 krad。
· 使用 GaN HEMT 也能改善二次電子效應 (SEE)。由於沒有空穴，因此可以將二次電子擾動 (SEU) 的風險降到最低，而 Si 和 SiC 上出現柵極斷裂 (SEGR) 的風險也會降到最低。
基於 GaN 的固態功率放大器 (SSPA) 在許多空間應用中已基本取代了真空管器件，例如在近地軌道 (LEO) 衛星中，尤其是在 C 到 Ku/Ka 的頻段。

總結

SiC 和 GaN 等 WBG 半導體用於航空航天和衛星通信有很多優點。隨著技術開發
、使用和可靠性標準在地麵電源轉換應用中日趨成熟
，這種半導體在航空航天和衛星係統中的使用也將讓人更加放心。

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