用于飛機電氣系統(tǒng)的 SiC 功率模塊

設(shè)計人員正在逐步尋求更有效的解決方案，以減少飛機系統(tǒng)的排放，在控制系統(tǒng)中使用更多的電子設(shè)備，包括取代氣動和液壓系統(tǒng)的電子設(shè)備，從機載交流發(fā)電機到執(zhí)行器和輔助動力裝置 （APU）。Microchip Technology 與歐盟委員會 （EC） 和工業(yè)界的聯(lián)合財團 Clean Sky 合作，為航空航天業(yè)開發(fā)了 BL1、BL2 和 BL3 基于 SiC 的無基座電源模塊。這些模塊可實現(xiàn)更高效、更輕、更緊湊的功率轉(zhuǎn)換和發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)。

Microchip 集成電源解決方案高級經(jīng)理 Mike Innab 告訴 Power Electronics News，尺寸、重量和成本是航空電源轉(zhuǎn)換器中最重要的因素?！坝捎诟咝У娘w行，更小的尺寸和更輕的重量等同于航空的長期成本效益?！?在競爭激烈的飛機業(yè)務(wù)中，它們以及初始成本都很重要。商品的長期可靠性和穩(wěn)健性也很關(guān)鍵，”Innab 說。

他聲稱，與許多其他行業(yè)一樣，航空業(yè)尋求用更小、更輕、維護成本低的機電系統(tǒng)來取代更大、更重、更難以維護的氣動和液壓系統(tǒng)。“機電系統(tǒng)的整體運行成本明顯低于氣動或液壓系統(tǒng)。這些電動飛機現(xiàn)在擁有更多的電力電子設(shè)備，因此需要更小、更輕、更高效的電力系統(tǒng)。如前所述，碳化硅半導(dǎo)體實現(xiàn)了這一點，”Innab 解釋說。

碳化硅MOSFET和二極管

為了在 2050 年之前達到 EC 為氣候中和航空設(shè)定的排放限制，Microchip 的產(chǎn)品系列旨在通過集成其碳化硅功率半導(dǎo)體，在 AC-DC 和 DC-AC 功率轉(zhuǎn)換和發(fā)電方面提供更高的效率技術(shù)。

碳化硅有望為航空航天業(yè)提供更輕的組件，從而降低能耗和排放。這種材料有助于在更小、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。

Innab 強調(diào)，SiC 半導(dǎo)體由于其固有的比硅 （Si） 半導(dǎo)體更快的開關(guān)能力，可以轉(zhuǎn)化為更緊湊、更高效的電源系統(tǒng)，同時損耗更低，產(chǎn)生的熱量更少。SiC 的物理特性為大功率電子設(shè)備提供了理想的物理結(jié)構(gòu)，從而改善了重量和形狀方面的形狀因數(shù)，這對航空至關(guān)重要。

“通過減小無源器件的尺寸和減少冷卻需求，更高的開關(guān)頻率和更低的熱損失允許更小、更輕的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的儲能（電容器）和磁性元件（變壓器和電感器）的尺寸和重量幾乎與開關(guān)頻率的增加成正比，因此使用 SiC 可實現(xiàn)的更高開關(guān)頻率產(chǎn)生更輕的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，”Innab 說。

此外，Innab 認為 SiC 半導(dǎo)體的較高開關(guān)速度還通過最大限度地減少電流和電壓在其極端之間轉(zhuǎn)換的時間來降低系統(tǒng)中的功耗，這是一種非常有損耗的狀態(tài)，因此在這種狀態(tài)下的時間越少越少整體功率損失，這也導(dǎo)致系統(tǒng)冷卻需求減少。

“所有這些都轉(zhuǎn)化為更小、更輕、效率更高、更具成本效益的系統(tǒng)。SiC 對于航空業(yè)來說仍然是新事物，其耐用性和預(yù)測長期可靠性的能力至關(guān)重要。航空業(yè)采用新技術(shù)的速度通常很慢，因為對任何特定新技術(shù)的信心都需要時間來充分發(fā)展，”Innab 評論道。

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新的電源模塊具有改進的基板，可節(jié)省成本和重量。Microchip 指出，由于不需要金屬基板，該結(jié)構(gòu)在 100W 至 10kW 的功率范圍內(nèi)比其他結(jié)構(gòu)輕 40%。

Microchip 的 BL1、BL2 和 BL3 器件符合 RTCA DO-160G“機載設(shè)備的環(huán)境條件和測試程序”G 版（2010 年 8 月）中規(guī)定的所有機械和環(huán)境合規(guī)性指南。該系列包含碳化硅 MOSFET 和肖特基勢壘二極管 （SBD） 以及 IGBT。它們采用扁平、低電感的外形尺寸，連接器直接位于 PCB 上，以縮短開發(fā)時間并提高整體系統(tǒng)可靠性。該布局允許它們并聯(lián)或以三相橋和其他拓撲連接，以實現(xiàn)更復(fù)雜的電源轉(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 Si 更穩(wěn)健，因為它們是寬帶隙器件。SiC 半導(dǎo)體通常比同類 Si 半導(dǎo)體更小，并且可以在更高的溫度下工作，從而實現(xiàn)更小的尺寸和更可靠的操作，”Innab 說。

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。在提供 100W 至超過 10 KW 功率的封裝中，BL1、BL2 和 BL3 模塊提供多種拓撲選項，包括相腳、全橋、不對稱橋、升壓、降壓和雙共源。

目前，標準硅器件仍然是電力電子市場的主要部分。新的碳化硅解決方案正在作為一種新的半導(dǎo)體元件出現(xiàn)，以應(yīng)對不久的將來的高功率挑戰(zhàn)。碳化硅的介電強度是硅的 10 倍，因此可以制造在更高電壓下運行的設(shè)備，并滿足航空領(lǐng)域以及充電基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)的要求?！　?/p>