全電飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案解析

作者：羅寧勝 ,曹建武；CISSOID中國(guó)代表處，深圳 518118 ? ? ? ? ?

隨著碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，航空電子系統(tǒng)也呈現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì)。碳化硅功率器件的成熟極大地促進(jìn)了航空機(jī)載傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等層面的演進(jìn)，具體體現(xiàn)在航空電子控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)從集中到分布式的轉(zhuǎn)變，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)從液壓或氣動(dòng)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變這一航空電子系統(tǒng)的總體趨勢(shì)。特別是高溫SOI半導(dǎo)體和碳化硅功率器件的結(jié)合，其整體的耐高溫性能將能很好地滿足多電和全電飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

過(guò)去十余年以來(lái)，飛機(jī)的燃料成本增加了約50%；2020年之后，更因?yàn)槿蚬?yīng)鏈的劇烈變化，航空燃油價(jià)格繼續(xù)飆升，預(yù)期2022年全球商業(yè)航空因?yàn)槿加统杀驹斐傻奶潛p，將會(huì)高達(dá)數(shù)十億美元。為了增加可維性、減低重量、提高燃油效率，進(jìn)而增加續(xù)航里程、降低排放，并節(jié)約商業(yè)飛行成本，飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行革命性的升級(jí)，由此，各項(xiàng)先進(jìn)研究項(xiàng)目早以展開。其中，極具代表性的歐盟清潔天空聯(lián)合創(chuàng)新項(xiàng)目（Clean Sky joint Technology Initiative）肇始于2008年,集合了發(fā)達(dá)國(guó)家的多數(shù)頭部企業(yè)，現(xiàn)已歷經(jīng)兩期（Clean Sky 2008-2017和Clean Sky2 2014-2024), 其目標(biāo)不僅是降低商業(yè)飛行的運(yùn)營(yíng)成本，而且還要顯著地降低排放，其預(yù)期到2050年實(shí)現(xiàn)降低75%的CO2排放、90%的NOx排放。該項(xiàng)目中有些部分已采用了DO-160 （Environment Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment）標(biāo)準(zhǔn)，其中已要求某些機(jī)載電子元器件在200℃ 環(huán)境中工作壽命要達(dá)到或超過(guò)50000飛行小時(shí)。

越來(lái)越多的高溫電子元器件的使用主要為了支持實(shí)現(xiàn)新型的飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這樣，在承載同等或更高載荷的條件下，可降低飛機(jī)的自身重量；為能實(shí)施更為精細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率，因而控制系統(tǒng)需要從傳統(tǒng)的集中式“全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制”（Full Authority Digital Engine Control，F(xiàn)ADEC）向“分布式”FADEC演進(jìn)；為了減輕重量和配合飛機(jī)整體分布式設(shè)計(jì)，原有的液壓或氣動(dòng)部件也在逐漸轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

航空電子技術(shù)所依賴的電子元器件的工作溫度范圍和工作壽命，直接影響著飛機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：過(guò)去，航空應(yīng)用只能在成熟的、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的軍標(biāo)溫度范圍（-55~+125°C）內(nèi)選擇電子元器件，而高溫半導(dǎo)體技術(shù)近年來(lái)得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，特別是高溫“絕緣層上硅”（Silicon On Insulator，SOI）技術(shù)，還有“碳化硅”（Silicon Carbide，SiC）、 “氮化鎵”（Gallium Nitride，GaN）等第三代“寬禁帶”（Wide BandGap，WBG）半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使得-55~+175°C甚或-55~+225°C，或者更高溫度范圍的電子器件日益涌現(xiàn)，給航空機(jī)載電子設(shè)備的設(shè)計(jì)打開了一扇新的窗口：這些技術(shù)使得因更小體積、更高功率密度而需耐受更高溫度的航空電子設(shè)備的設(shè)計(jì)，成為可能。

航空應(yīng)用對(duì)高溫電子技術(shù)的要求

航空系統(tǒng)上的高溫，通常有如下三個(gè)來(lái)源：

·第一，來(lái)自飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，即飛機(jī)的引擎和排氣裝置。引擎燃燒室的溫度可以高達(dá)幾千度，飛機(jī)控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒的狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)燃料和空氣的比例來(lái)控制燃燒過(guò)程，以求實(shí)現(xiàn)最高的燃燒效率。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)引擎高效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，相關(guān)傳感器和電子器件需要盡可能地靠近引擎，視具體配置位置，有可能需要耐受300~600°C的高溫；

·第二，飛機(jī)在高速飛行時(shí)，飛機(jī)表面與空氣摩擦生熱。超音速飛行時(shí)，機(jī)體表面的溫度可高達(dá)200℃以上；超音速飛行的飛行器在大氣環(huán)境中降速時(shí)，機(jī)體前端由于空氣的壓力和摩擦所產(chǎn)生的熱量尤其大，往往還需要配備額外的熱防護(hù)層；

·第三，是電子元器件自身發(fā)熱。所有電子元器件都有一定的內(nèi)部耗散功率，如果導(dǎo)熱和散熱設(shè)計(jì)不良，特別是在高空飛行的空氣稀薄的環(huán)境，設(shè)備內(nèi)部的溫升過(guò)高，將會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題。

面對(duì)飛機(jī)上的熱源和高溫環(huán)境，為了保護(hù)其電子元器件，傳統(tǒng)的做法是在布置電子設(shè)備時(shí)盡量規(guī)避高溫區(qū)，或外加熱防護(hù)系統(tǒng)，如配備環(huán)境控制系統(tǒng)（Environment Control System, ECS）。例如，在早期的集中式FADEC系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)周邊的傳感器信號(hào)，被用屏蔽電纜饋送到遠(yuǎn)端的中央處理機(jī)處，而中央處理機(jī)一般安裝在有空調(diào)或冷卻裝置控制溫度的艙室中。當(dāng)所有的傳感和執(zhí)行信號(hào)都必須送到一個(gè)中央處理機(jī)進(jìn)行集中處理時(shí)，飛機(jī)上就要布設(shè)復(fù)雜、龐大的線束，既占用飛機(jī)的寶貴體積，也增加了飛機(jī)的重量，并帶來(lái)了更多的可靠性、安全性問(wèn)題。

在某些受限的情況下，溫度問(wèn)題就成了設(shè)計(jì)瓶頸。例如，飛機(jī)的武器系統(tǒng)通常被安放或掛載于機(jī)翼和機(jī)體下方，其電子控制裝置通常已經(jīng)沒有空間去配備冷卻系統(tǒng)了；即便有些情況下可以配置冷卻裝置，鋪設(shè)的液體管道和線束，也會(huì)帶來(lái)復(fù)雜的可靠性問(wèn)題。

對(duì)技術(shù)平衡點(diǎn)的選擇歷來(lái)是工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)復(fù)雜的綜合考慮過(guò)程。目前，基于傳統(tǒng)體硅半導(dǎo)體性能，航空應(yīng)用一般將環(huán)境溫度極限標(biāo)準(zhǔn)定格在最高110℃，而最高結(jié)溫為125℃以下，實(shí)際上，現(xiàn)在許多航空應(yīng)用將結(jié)溫控制在約60℃左右，主要原因受限于體硅半導(dǎo)體器件的性能。要維護(hù)電子元器件的限制溫度對(duì)飛機(jī)是很大的負(fù)擔(dān)，尤其是在空間受限的機(jī)翼區(qū)域則更加困難。冷卻系統(tǒng)通常需要占用飛機(jī)重量的10%（功率約50KW），嚴(yán)重影響飛機(jī)的整體性能。如果能將殼體允許最高溫度僅提升至150℃，并適當(dāng)提高結(jié)溫的控制溫度點(diǎn)，也許有一些位置的冷卻裝置和環(huán)境控制系統(tǒng)就不再需要了。這樣一來(lái)，體積、重量、功耗和成本都可以節(jié)省?？傊?，電子元器件的耐高溫性能對(duì)飛機(jī)整體性能的改進(jìn)有著很大的影響。

在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)候，人們總是會(huì)受到材料的限制，而必須作相應(yīng)的綜合考慮和妥協(xié)以實(shí)現(xiàn)可接受的設(shè)計(jì)。也就是通過(guò)平衡材料和技術(shù)的極限，正如通過(guò)平衡機(jī)體材料的強(qiáng)度和重量，懷特兄弟能夠?qū)崿F(xiàn)他們的首次飛行。之后人們通過(guò)不斷地采用新材料和新技術(shù)，不斷在新的平衡點(diǎn)實(shí)現(xiàn)新型的飛機(jī)設(shè)計(jì)，不斷改進(jìn)和創(chuàng)造出新型飛機(jī)。航空電子系統(tǒng)的作用也就是如此，它作為現(xiàn)代飛機(jī)的重要部件，關(guān)系到飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行狀態(tài)控制、通訊遙感和導(dǎo)航、武器系統(tǒng)（如火控、制導(dǎo)和電子對(duì)抗）等等。飛機(jī)的應(yīng)用目標(biāo)和環(huán)境對(duì)電子元器件有其特殊的要求，往往新型的電子器件不僅能提升飛機(jī)的效率，而且還能促成實(shí)現(xiàn)全新的設(shè)計(jì)理念。因此，耐高溫的電子元器件也一直為航空航天領(lǐng)域所重視。

從1970年代起，基于機(jī)械、液壓驅(qū)動(dòng)和混合模擬發(fā)動(dòng)機(jī)控制的數(shù)字化、集中式FADEC已經(jīng)走過(guò)了60多年，目前已經(jīng)是各種飛機(jī)電子控制系統(tǒng)的標(biāo)配。近年來(lái)該領(lǐng)域的發(fā)展轉(zhuǎn)向了“分布式FADEC”，這主要是因?yàn)椋?/p>

·飛機(jī)減重的要求。經(jīng)典的FADEC要求需要通過(guò)笨重的屏蔽線束回傳傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)中央計(jì)算機(jī)的計(jì)算、處理，發(fā)布指令指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，這些傳輸需要復(fù)雜、昂貴、笨重的多芯線束和連接器，既占用了較大的體積和重量，也帶來(lái)了更多的可靠性問(wèn)題；先進(jìn)的飛機(jī)越來(lái)越多的采用分布式FADEC以獲得顯著的改善。在分布式FADEC體系中，信號(hào)經(jīng)常只需使用4線制的輕量線束傳輸（一對(duì)差分?jǐn)?shù)字信號(hào)，一對(duì)電源和地線），大大簡(jiǎn)化了線束，消滅了傳統(tǒng)航空接插件的絕大多數(shù)額外的引腳，既簡(jiǎn)化了防護(hù)，又顯著的減少了接插件的數(shù)目和重量；

·分布式控制要求傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，甚至其電源管理系統(tǒng)盡量分散且接近任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)測(cè)量需要緊鄰發(fā)動(dòng)機(jī)（環(huán)境溫度高達(dá)300-600°C），而機(jī)翼動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要貼近目標(biāo)機(jī)翼，等等。這些地方往往無(wú)法配備水冷機(jī)構(gòu)，只能依賴風(fēng)冷或機(jī)體背板自然冷卻，因而需要電氣系統(tǒng)具備耐高溫特性；

另外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣化也使得分布式設(shè)計(jì)越來(lái)越容易達(dá)成，其系統(tǒng)響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)架構(gòu)。過(guò)去飛機(jī)的調(diào)姿轉(zhuǎn)向等動(dòng)作主要依靠液壓或氣動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)，這些部件依賴于精密機(jī)械配合，制造成本高、故障率高而可維性差；而電機(jī)驅(qū)動(dòng)式的“固態(tài)”執(zhí)行器，響應(yīng)速度快，重量輕體積小，故障率低而可維性高；據(jù)估計(jì)，一體化的電機(jī)執(zhí)行器響應(yīng)時(shí)間僅為液壓執(zhí)行器的五分之一以下，同等驅(qū)動(dòng)功率時(shí)的體積和重量?jī)H為后者的三分之一以下。基于體積重量和可靠性的原因，飛機(jī)中的電機(jī)系統(tǒng)一般不允許再配備液體冷卻機(jī)構(gòu)，只能依靠風(fēng)冷和背板自然冷卻，因此其配備的電力電子的耐高溫能力面臨很大的挑戰(zhàn)。

總之，飛機(jī)系統(tǒng)因自身高溫環(huán)境（如發(fā)動(dòng)機(jī)周邊）傳統(tǒng)上需要高溫器件支持之外，近年來(lái)飛機(jī)系統(tǒng)的分布式控制設(shè)計(jì)趨勢(shì)，和執(zhí)行系統(tǒng)由液壓和氣壓傳動(dòng)向電機(jī)傳動(dòng)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，都在推動(dòng)著對(duì)高溫電子技術(shù)的新的需求。

高溫電子技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

提高電子設(shè)備的最高工作溫度等級(jí)需要面對(duì)頗多技術(shù)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)涉及高溫電子技術(shù)的各個(gè)方面，包括高溫半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)、制造和封裝，耐高溫的被動(dòng)元件，焊接和組裝的材料和工藝，以及從芯片到模塊、再到電路板，乃至系統(tǒng)級(jí)別的熱設(shè)計(jì)和熱管理等等。

高溫電子技術(shù)的核心是高溫半導(dǎo)體芯片技術(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度升高到150-200℃時(shí)，硅基的本征載流子濃度顯著升高，不僅硅基襯底幾乎完全導(dǎo)電，而且PN結(jié)勢(shì)壘也接近消失，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體的基本功能崩潰，幾乎完全導(dǎo)電而淪為“導(dǎo)體”。因此，普通體硅半導(dǎo)體是不適合高溫應(yīng)用的。目前成熟且已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的高溫半導(dǎo)體芯片技術(shù)主要有兩種，一是高溫SOI技術(shù)，另一是寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)（如SiC和GaN）。前者適合于做高溫集成電路器件，后者適合于做高溫功率器件，兩者是很好的互補(bǔ)。

- 高溫SOI 技術(shù)

SOI 是一種用于集成電路制造的新型原材料和工藝，有望替代目前大量應(yīng)用的體硅工藝。如圖1（a）所示體硅MOSFET結(jié)構(gòu)，相比之下，SOI工藝在襯底結(jié)構(gòu)中增加了一個(gè)絕緣體夾層，其上方一層為有源硅層，而下方的硅層只是起到支撐作用，如圖1（b）所示。該絕緣夾層可以由SiO2、氮化硅、Al2O3或其它絕緣材料構(gòu)建，取決于具體的實(shí)現(xiàn)工藝。由于硅與SiO2的結(jié)合界面性能穩(wěn)定，所以SiO2成為了目前常見的主流SOI絕緣層材料。SOI結(jié)構(gòu)中的SiO2絕緣層，有效地減小了MOSFET漏極和源極的實(shí)際PN結(jié)面積，使得漏極和源極的反向泄漏電流大大降低，為高溫性能的提升奠定了基礎(chǔ)。另外，可通過(guò)工藝和材料的選擇來(lái)加固其高溫工作的可靠性。

圖1 （a）N溝道MOSFET體硅工藝；（b）N溝道SOI工藝

SOI獨(dú)特的“Si/絕緣層/Si”三層結(jié)構(gòu)，帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)：首先，“絕緣埋層”實(shí)現(xiàn)了器件功能有源部分和襯底的全介質(zhì)隔離，減小了寄生電容，開關(guān)頻率得以提高；其次，由于較小的PN結(jié)面積，顯著降低了泄漏電流，SOI 器件的自身耗散也減小了; 再者，絕緣層的存在隔斷了有源部分通過(guò)硅襯底而互通的電流通道，徹底消除了“閂鎖”（Latch Up）效應(yīng)；另外，絕緣夾層結(jié)構(gòu)抑制了硅襯底產(chǎn)生的脈沖電流干擾（如輻射粒子激發(fā)等），減少了偶發(fā)錯(cuò)誤的產(chǎn)生，具很好的抗輻照特性；最后，SOI與現(xiàn)有體硅工藝設(shè)備、流程基本兼容（除少數(shù)高溫SOI器件工藝需要特殊設(shè)備外），具備極佳的商業(yè)量產(chǎn)可實(shí)施性。

目前，基于SOI（Silicon on Insulator，絕緣層上硅）的獨(dú)特高溫半導(dǎo)體技術(shù)，已全面突破了普通體硅半導(dǎo)體器件的溫度困境，有效地消除了溫度載流子效應(yīng)對(duì)器件性能的影響。通過(guò)對(duì)SOI器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉?gòu)造和工藝設(shè)計(jì)，如盡可能減少源漏間結(jié)面積和耗盡區(qū)寬度，可大幅地減小了反向泄漏電流，極大地提升器件的各項(xiàng)高溫性能；同時(shí)采用高激活能材料的金屬系統(tǒng)，實(shí)施鈍化膜保護(hù)工藝等等，可大幅地提高器件的高溫可靠性；目前，基于SOI工藝的半導(dǎo)體器件，商業(yè)實(shí)現(xiàn)普遍做到了225°C，部分研發(fā)實(shí)現(xiàn)了300°C，少數(shù)前沿探索正在向400°C的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)演進(jìn)。高溫SOI技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于石油鉆探、航空航天、國(guó)防裝備等尖端領(lǐng)域。

- SiC和GaN器件的特性

作為“第三代”、“寬禁帶”半導(dǎo)體材料，SiC和GaN器件具有若干先天的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)來(lái)自于對(duì)應(yīng)材料的本質(zhì)特性，參見圖2：

圖2 SiC、GaN和體硅的本質(zhì)特性之比較

圖2中可見，SiC和GaN新型半導(dǎo)體材料幾乎在每個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)上都顯著超越了體硅，特別是SiC材料，在熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)方面的效能，幾乎為體硅的2.5~3倍。很寬的禁帶寬度使得SiC和GaN天生就比體硅器件更耐高溫；從現(xiàn)有產(chǎn)品的額定結(jié)溫來(lái)看，基于體硅的半導(dǎo)體器件，例如軍品級(jí)，一般都標(biāo)注為最高結(jié)溫125℃，而普通的SiC和GaN器件，多數(shù)都標(biāo)注為175℃，少數(shù)標(biāo)注為200℃；其實(shí)，SiC和GaN器件可工作溫區(qū)遠(yuǎn)不止于此，其管芯本身可在500℃甚至更高溫度下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作；而目前175℃、200℃的額定溫度，是受到封裝技術(shù)及應(yīng)用成本的限制。隨著業(yè)界高溫封裝產(chǎn)業(yè)能力的提升，更高溫度等級(jí)的SiC和GaN器件將很快得到普及。

- CISSOID的SiC MOSFET IPM

高溫SOI器件已經(jīng)獲得了完全的商業(yè)化生產(chǎn)和供應(yīng)。以CISSOID公司為例，其從事高溫SOI器件的設(shè)計(jì)和制造，已有20多年歷史；目前已能提供10多個(gè)種類100多個(gè)型號(hào)的高溫SOI器件，包括二極管、MOSFETs、電壓參考器、電壓調(diào)節(jié)器、PWM控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、比較器、運(yùn)算放大器、邏輯器件、時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)時(shí)器等等。根據(jù)封裝形式的不同，分為兩大系列：CMT系列為高溫塑膠材質(zhì)封裝，最高結(jié)溫為175℃；而CHT系列則為金屬陶瓷封裝，最高結(jié)溫為225℃。綜合平衡管芯和封裝的設(shè)計(jì)和現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化工藝條件，目前CISSOID所提供的高溫SOI器件的高溫工作壽命可達(dá)約15年（最高結(jié)溫175℃），或約5.5年（最高結(jié)溫225℃），又或約2.5年（最高結(jié)溫250℃），以及約1.3年（最高結(jié)溫280℃）；其規(guī)律是，近乎于溫度每升高25℃，器件壽命將約減少一半；在300℃以上時(shí)，其SOI器件也還有幾千小時(shí)的工作壽命。

另一方面，近年新興的寬禁帶化合物半導(dǎo)體（SiC、GaN等），天生具有卓越的高溫性能，其工作溫度已被實(shí)驗(yàn)證明可達(dá)500℃甚至更高，而以SiC器件的高溫性能最為杰出。近期，SiC的商業(yè)化進(jìn)展程度也表現(xiàn)尤為突出，由電動(dòng)汽車應(yīng)用的大量需求所推動(dòng)，SiC器件已經(jīng)開始了大規(guī)模量產(chǎn)和全面普及，必然在電力電子應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域逐步替代傳統(tǒng)的體硅IGBT功率器件。

SiC功率器件高溫應(yīng)用的高溫封裝技術(shù)也在加速演進(jìn)。為了配合這一發(fā)展的整體趨勢(shì)，CISSOID 公司利用其高溫SOI的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了專為降低開關(guān)損耗并提高功率密度、風(fēng)冷型三相全橋碳化硅SiC MOSFET智能功率模塊(IPM)技術(shù)平臺(tái)系列（圖3）。針對(duì)航空航天領(lǐng)域的風(fēng)冷應(yīng)用，部分IPM采用了平面基板，可以方便地結(jié)合到散熱器或框架結(jié)構(gòu)上。該IPM技術(shù)平臺(tái)可迅速調(diào)配以適應(yīng)不同的電壓、功率檔級(jí)，極大地加速了基于SiC的功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高效率和更高功率密度。

圖3：帶有平面底板的SiC智能功率模塊

智能功率模塊(IPM)意味著功率模塊和柵極驅(qū)動(dòng)器的集成。功率模塊和柵極驅(qū)動(dòng)器的協(xié)同設(shè)計(jì)能夠通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)dv/dt和控制快速開關(guān)固有的電壓過(guò)沖來(lái)優(yōu)化IPM，以實(shí)現(xiàn)最低開關(guān)能量損耗。CISSOID的柵極驅(qū)動(dòng)器是基于高溫SOI半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)的，具有獨(dú)特的耐高溫穩(wěn)定性，可與耗散數(shù)百瓦的功率組件緊密集成。這樣，有助于減少柵極環(huán)路寄生電感，實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和降低開關(guān)損耗，并避免寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。CISSOID的柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器配有負(fù)驅(qū)動(dòng)和有源米勒鉗位（AMC）、去飽和檢測(cè)（DeSAT）、軟關(guān)斷（SSD）等防護(hù)保護(hù)機(jī)制，還有欠壓鎖定（UVLO）、DC總線電壓監(jiān)視系統(tǒng)及模塊內(nèi)部的溫度監(jiān)控等。通過(guò)提供匹配的整合的方案，CISSOID的IPM平臺(tái)使客戶能夠大大加快他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

CISSOID 的高溫SOI半導(dǎo)體芯片技術(shù)，是高功率風(fēng)冷IPM模塊成為可能的前提 (型號(hào)：CMT-PLA3SB340AA和CMT-PLA3SB340CA)；這些型號(hào)是專為無(wú)法使用液體冷卻，例如航空機(jī)電執(zhí)行器和功率轉(zhuǎn)換器的高溫應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。這些型號(hào)的額定阻斷電壓為1200V，最大連續(xù)電流為340A；導(dǎo)通電阻僅有3.25mΩ和2.67mΩ，標(biāo)稱開關(guān)損耗則僅為8.42mJ和7.05mJ （在600 V/300A條件下）。該功率模塊的額定結(jié)溫為175℃，柵極驅(qū)動(dòng)器的額定環(huán)境溫度為125℃，通過(guò)AlSiC扁平底板冷卻，熱阻較低、耐熱性強(qiáng)。另外，依據(jù)應(yīng)用條件和場(chǎng)景的需求，通過(guò)更換更高溫度等級(jí)的被動(dòng)元器件和主要芯片及模塊的封裝，CISSOID的IPM還可以進(jìn)一步提升運(yùn)行溫度等級(jí)。此外，CISSOID也正在開發(fā)單相和兩相的IPM模塊，以便于靈活地組合成不同的電力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)針對(duì)各種不同的應(yīng)用。

航空領(lǐng)域的典型應(yīng)用

- 分布式執(zhí)行控制系統(tǒng)和配電方式

參考前文，目前先進(jìn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)越來(lái)越多地趨于采用分布式設(shè)計(jì)。分布式系統(tǒng)可以就地收集發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，及飛機(jī)體內(nèi)和蒙皮的各種傳感器信號(hào)，通過(guò)數(shù)字化等處理后，經(jīng)由統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線傳送給主機(jī)。就地處理意味著傳感器和執(zhí)行器更為接近前端現(xiàn)場(chǎng)，而那些位置通常無(wú)法配備冷卻系統(tǒng)。

因此，分布式系統(tǒng)更需要耐高溫的傳感控制驅(qū)動(dòng)單元，這往往需要耐溫200℃以上的電子元器件，及同等溫度等級(jí)的連接器、線纜等輔助材料。首先采用高溫電子器件將傳感模擬信號(hào)數(shù)字化，例如有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的溫度、壓力、燃料供給和效率等等，都需要前端采集模擬傳感信號(hào)并數(shù)字化后經(jīng)過(guò)數(shù)字總線上傳；反之，經(jīng)過(guò)中央控制器計(jì)算下達(dá)的動(dòng)作指令，也通過(guò)數(shù)字總線傳輸?shù)轿挥谇岸爽F(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件。

分布式系統(tǒng)的益處：第一，通過(guò)數(shù)字化傳輸簡(jiǎn)化了飛機(jī)線束，減少了大量笨重的屏蔽線纜饋線；第二，顯著減少了各部件之間的連接器數(shù)目，在減重的同時(shí)也提高可靠性；第三，控制單元分散布局，相比集中控制，提高了飛機(jī)的生存能力；第四，減少或消除了諸多水冷裝置，能夠大大地減少體積和重量。

類似于執(zhí)行控制系統(tǒng)的分布式，飛機(jī)配電也趨向采用分布式，即飛機(jī)上除了一個(gè)電源中心外， 還有若干個(gè)分中心，每個(gè)電源分中心由電源二次分配組件SPDA（Secondary Power Distribution Assembly)和遠(yuǎn)程電源分配組件RPDU（Remote Power Distribution Unit）進(jìn)行控制。這種配電方式的控制設(shè)備和控制邏輯會(huì)較為復(fù)雜，但大大減輕了配電導(dǎo)線的重量，且因負(fù)載端接近不同的電源中心，其負(fù)載電壓也容易保持穩(wěn)定。然而，負(fù)載端也許不具備很好的冷卻環(huán)境，這樣就需要其電力電子有很好的耐高溫能力。

- 多電飛機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源變換器

傳統(tǒng)飛機(jī)的舵面、翼面等姿態(tài)操控，都是由液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置完成的；此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向噴口及發(fā)動(dòng)機(jī)反推動(dòng)作控制，以及艙門、起落架、剎車及地面轉(zhuǎn)向駕駛等處，也還大量地使用了液壓或氣壓部件。液壓和氣壓裝置的弱點(diǎn)在于其密封，由于采用流體或氣體傳遞壓力，因而傳遞效率較低，故障率高，且不適合遠(yuǎn)距離傳動(dòng)；僅以液壓為例，液壓系統(tǒng)對(duì)油溫變化較為敏感，運(yùn)動(dòng)部件的速度不易保持穩(wěn)定；液壓系統(tǒng)的體積和重量龐大，受環(huán)境影響很大并且維護(hù)成本很高。目前，新型設(shè)計(jì)已趨向于部分或全部地實(shí)現(xiàn)電氣化，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)替代機(jī)械式的液壓和氣壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此即多電飛機(jī)的概念。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)全固態(tài)化，響應(yīng)快，并且可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)，方便冗余備份設(shè)計(jì)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)還可以大大減小部件的體積和重量，這對(duì)飛機(jī)本身尤為重要。另外，電氣化也使分布式執(zhí)行控制更容易實(shí)現(xiàn)。

然而，多電飛機(jī)上的電機(jī)和電控一般不充許再配備液冷，只能依靠強(qiáng)制風(fēng)冷和背板散熱器冷卻；舊式的飛機(jī)可以利用液壓油路系統(tǒng)兼職冷卻，而現(xiàn)在改為電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，消除了液壓體系，如果再專門配置液冷系統(tǒng)來(lái)保證散熱，那就是走回頭路、做無(wú)用功了。因此，實(shí)現(xiàn)多電或全電飛機(jī)的電控設(shè)計(jì)，第一個(gè)面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)就是功率和驅(qū)動(dòng)電路的耐高溫設(shè)計(jì)；耐高溫SOI驅(qū)動(dòng)器件和電路匹配以碳化硅功率模塊，為解決這一航空領(lǐng)域的技術(shù)難題鋪平了道路。

除電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，多電飛機(jī)對(duì)電力電子變換器也提出了新的要求。多電飛機(jī)的主要電源采用變頻交流電源或高壓直流電源，容量可高達(dá)幾十乃至幾百KW級(jí)，用電設(shè)備大幅度增加，因此需要各種不同類型的電力電子變換器進(jìn)行電能變換，包括AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC和固態(tài)開關(guān)等。基于Si的傳統(tǒng)電力電子器件已不再能滿足多電飛機(jī)對(duì)高溫、高效率、高功率密度及高可靠性的要求。因此，耐高溫SOI及碳化硅器件融合的智能功率模塊，就成為了多電飛機(jī)電源變換器的首選。

- 電動(dòng)飛機(jī)

電動(dòng)飛機(jī)（Electric aircraft)是依靠電動(dòng)機(jī)飛行的飛機(jī)，其使用的電力來(lái)自蓄電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器、無(wú)線能量傳輸，或其它種類等；鑒于電動(dòng)飛機(jī)減重需求壓力很大，一般無(wú)法接納體積和重量龐大的液體冷卻系統(tǒng)和液壓或氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，一般也只有風(fēng)冷散熱條件，此時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)總成的熱管理就面臨著很大的挑戰(zhàn)。在此，耐高溫SOI及碳化硅器件融合的智能功率模塊，又成為不二的解決方案。

類似于電動(dòng)汽車，受到電池容量的限制，電動(dòng)飛機(jī)也有里程焦慮，因而追求最高的能源效率，以實(shí)現(xiàn)最大的續(xù)航里程，因此也趨向于從體硅IGBT器件，轉(zhuǎn)向基于SiC/GaN功率器件來(lái)構(gòu)建電源和電控系統(tǒng)。如此，不僅能獲得更高的能源轉(zhuǎn)換效率，還能耐受更高的溫升。

結(jié)論

高溫SOI技術(shù)通過(guò)器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，突破了體硅器件的溫度困境；采用改良的金屬化系統(tǒng)和高溫加固工藝，大大提高了器件的高溫可靠性。隨著第三代半導(dǎo)體功率器件的日趨成熟和普及，其固有的高溫性能與高溫SOI集成電路形成了非常理想的搭配。由此，為飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師打開了一扇新的窗口，為全面實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)計(jì)和電氣化設(shè)計(jì)，奠定了基礎(chǔ)。

編輯：黃飛

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