SiC器件優(yōu)越性、發(fā)展以及在電源系統(tǒng)的應用分析

SiC器件在航空二次電源中的應用

引言

眾所周知，飛機在飛行、使用與停放過程中，其周圍的氣候條件變化范圍大且變化速度快，因此，航空電氣設(shè)備的工作條件要比地面工業(yè)設(shè)備復雜，從而對飛機電源系統(tǒng)的要求很高。

二次電源作為電源系統(tǒng)中的重要電能轉(zhuǎn)換裝置，主要包括：航空靜止變流器、變壓整流器、直直變換器、電機驅(qū)動器。航空二次電源工作環(huán)境惡劣，對性能、可靠性、重量、體積和能耗等方面都有著極其苛刻的要求。目前，航空二次電源主要由基于Si器件的功率變換裝置構(gòu)成。但由于Si電力電子器件經(jīng)過近60年的發(fā)展，其性能已接近其理論極限，難以再有大幅度的提升，成為制約航空二次電源進一步提升性能的瓶頸之一。

經(jīng)研究者的努力，以SiC為代表的寬禁帶半導體材料逐漸展示出及其優(yōu)異的性能。SiC功率器件耐高溫、抗輻射，具有較高的擊穿電壓和工作頻率，適于在惡劣條件下工作。與傳統(tǒng)Si功率器件相比，SiC功率器件可大大降低功耗。因此，可大幅度降低電力電子裝置體積和重量，提高可靠性，在航空二次電源中具有極其廣闊的應用前景。

2 SiC器件優(yōu)越性及發(fā)展簡況

SiC作為目前最受關(guān)注的寬禁帶半導體材料之一，被人們稱為繼Si和GaAs之后的第三代半導體，在電力電子器件制造方面具有廣闊的發(fā)展前景。表1為SiC寬禁帶半導體材料與Si材料的電學特性參數(shù)的對比。

由表1可以看出：

1) SiC的禁帶寬度大

由于半導體材料的禁帶寬度決定器件的工作溫度，禁帶寬度越大，器件的工作溫度越高。因此，SiC器件的工作溫度可以高達600°C，并具有極好的抗輻射性能。350~500℃下工作的高溫集成電路將在航空設(shè)備(渦輪發(fā)動機、飛行器的電氣自動化)、核能儀器、衛(wèi)星、空間探測器、地熱井等眾多方面得到廣泛的應用。

2) SiC的擊穿場強高

SiC的擊穿電場約為2.5MV/cm，這個值大約是Si材料的10倍。這使得SiC功率半導體器件的最高工作電壓比同類的Si器件高得多，如Si肖特基二極管最高阻斷電壓在一兩百伏，而SiC肖特基二極管的阻斷電壓最高已經(jīng)達到1700V。因此，SiC的高擊穿場強特性使其更容易實現(xiàn)航空系統(tǒng)中對功率半導體器件的耐高壓的要求，譬如可以用SiC制作擊穿電壓很高的pin二極管和IGBT

3) SiC器件的比導通電阻小

功率半導體器件的比導通電阻跟材料擊穿電場的立方成反比，SiC具有比Si材料高一個數(shù)量級的擊穿電場，因此SiC器件有更小的比導通電阻。在相同擊穿電壓下，SiC器件的比導通電阻理論值只有Si器件的百分之一。低的比導通電阻會減小損耗，帶來系統(tǒng)效率的提高。

4) SiC的熱導率高

SiC材料比Si材料熱導率高近3倍。SiC材料制作的集成電路可以減小甚至不用散熱系統(tǒng)，可以有效的減輕體積和重量，大大提高系統(tǒng)集成度。并能在高溫和高輻射的環(huán)境中改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這正符合航空二次電源對體積、重量、可靠性等方面的高標準要求。

5) 最大電子飽和速度大

SiC材料的最大電子飽和速度是Si材料的2倍，有更高的電流密度和更快的開關(guān)速度，適合于高頻和大功率應用。

基于SiC的電力電子器件阻斷電壓高、工作頻率高、耐高溫工作能力強，同時又具有開關(guān)損耗小和比導通電阻低等優(yōu)勢，采用SiC電力電子器件可以大大降低裝置的功耗、縮小裝置的體積。

目前，歐美、日本等國家在SiC單晶制作方面處于領(lǐng)先地位，多家公司可生產(chǎn)SiC單晶芯片，比如美國的Cree公司、PowerEx公司、Semisouth Laboratories公司、Microsemi公司和IR公司，德國的英飛凌公司，日本的羅姆公司等。目前，盡管產(chǎn)量、成本及可靠性等問題仍對SiC功率器件商品化有所限制，但SiC器件替代Si器件的過程已逐漸開始。早在2011年全球在SiC生產(chǎn)和研發(fā)方面投資超過10億美元，未來幾年，SiC功率器件的市場將以每年50%~70%的速度上升，預計在2019年達到80億美元.

由于SiC單晶材料和外延設(shè)備的限制，國內(nèi)在SiC功率器件方面的實驗研究起步較晚。目前研究SiC器件的科研院所主要有西安電子科技大學、西安理工大學、浙江大學、北京交通大學、北京工業(yè)大學、電子科技大學、南京航空航天大學、山東大學、南京大學、中國科學院半導體研究所、中電13所、中電46所、中電55所等。據(jù)報道，我國天科合達藍光公司進入SiC襯底市場后影響較大，降低了國際市場上SiC襯底的售價，從而推動了SiC功率器件的更快普及。

3 SiC器件在航空二次電源的應用分析

基于SiC功率器件的優(yōu)勢，以下對其在航空二次電源中的應用進行分析，預估其對整機性能帶來的影響。

3.1 SiC器件在航空靜止變流器中的應用

航空靜止變流器（Aeronautical Static Inverter, ASI）是飛機上的一種二次電源。直流電源為主電源的飛機上，用于向交流用電設(shè)備供電；在交流電源為主電源的飛機上作為應急備用電源。ASI是采用功率半導體器件，將低壓28V或高壓270V直流電變換成輸出電壓為115V/200V，36V或26V，頻率為400Hz的單相或三相交流電的一種靜止變流裝置。圖1為典型的正弦脈寬調(diào)制兩級式靜止變流器，前級為 DC/DC級，將 270V直流變換為180V直流，并實現(xiàn)電氣隔離，后級為DC/AC級，將180V 直流逆變?yōu)?15V/400Hz。

前級變換器作為橋式逆變器的直流輸入環(huán)節(jié)，其輸入電壓為270V，輸出電壓要達到180V以上并且具有電氣隔離功能。對于雙管正激、推挽、半橋、全橋等DC/DC變換器，半橋、全橋電路相對于雙管正激、推挽電路而言，主開關(guān)管承受的電壓應力減小一半，但一般考慮安全裕量，選用耐壓500V左右的功率器件，對于這種電壓等級的器件，普通Si管的導通電阻為1歐左右，而SiC管的導通電阻只有幾十毫歐，其導通損耗理論上只有Si管的百分之一，因此，采用SiC器件使系統(tǒng)效率得到提高；對于副邊整流二極管一般選擇反向恢復時間較短的肖特基二極管，而普通Si肖特基二極管不能承受高壓要求，因此需采用耐壓高的SiC肖特基二極管。

后級逆變器是航空靜止變流器的研究重點之一，其效率和功率密度是功率變換器的關(guān)鍵指標。

圖2是輸入直流電壓360V，輸出交流電壓230V/50Hz，額定輸出功率為1000VA的逆變器，采用全Si器件、混合型器件（Si功率管和SiC二極管組合）、全SiC器件三種不同器件組合在不同頻率下的效率分布圖。

圖2 不同器件在不同頻率下的效率分布圖

由圖2可以看出，對于全Si器件，隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)損耗增大很多，效率降低較多。對于較低開關(guān)頻率23.4kHz下，全Si器件逆變器與全SiC器件逆變器效率相差不大，僅1.8%，但當開關(guān)頻率提升到100kHz時，效率相差較大，全SiC器件的逆變器效率可比全Si器件的逆變器高8%。

3.2 SiC器件在變壓整流器中的應用

在主電源為交流電源的供電系統(tǒng)中，為了向無線電通信、雷達、飛行駕駛設(shè)備、控制與保護裝置、繼電器、信號裝置及電動機等直流電設(shè)備供電，直流二次電源是必不可少的。

變壓整流器是飛機上輸出功率較大的變換器，因而，除要求體積重量小之外，必須有很高的效率。變壓整流器按整流器中變壓器的類型可以分為多脈沖變壓整流器（Transformer Rectifier Unit, TRU）和多脈沖自耦變壓（Auto Transformer Rectifier Unit, ATRU）。在B787、A380中已大量使用多脈沖整流器。如B787電源系統(tǒng)中實用的多脈沖變壓整流器主要用于將交流母線電壓整流為28V低壓直流輸出，供電給直流燃油泵、點火器、飛行甲板顯示器等負載裝置；而多脈沖自耦變壓整流器將交流母線電壓整流為270V高壓直流輸出，供液壓電動泵、氮氣發(fā)電機系統(tǒng)、環(huán)控壓縮機以及發(fā)動機啟動等負載裝置使用。圖3為多脈沖變壓整流器結(jié)構(gòu)圖。

從圖3可以看出，變壓整流器包括：將交流電壓變換成所需電壓的主變壓器，以及把交流電能變換成直流電能的整流電路。由于整流電路的主要元件為二極管，其電壓應力即為整流橋輸入線電壓的最大值，對于多脈沖變壓整流器而言，一般選用耐壓幾十伏、電流定額幾十到幾百安的二極管，因此普通Si二極管可以滿足要求；而對于多脈沖自耦變壓整流器來說，一般選用耐壓600V、電流定額為幾十到幾百安的快恢復二極管，存在反向恢復問題，且傳統(tǒng)的Si二極管不能耐受高溫，而采用SiC肖特基二極管幾乎沒有反向恢復電流，因而可以減小器件的開關(guān)損耗，并且SiC肖特基二極管能耐高溫，可以減輕散熱壓力，較為適合航空系統(tǒng)中的高溫要求。

3.3 SiC器件在直直變換器中的應用

直直變換器在飛機上應用廣泛。恒速恒頻電源（CSCF）和變速恒頻電源（VSCF）控制器GCU的內(nèi)部電源采用普通降壓式（buck）和升降壓式（buck/boost）開關(guān)電源，變換器的輸入電壓為永磁副勵磁機整流濾波后的直流電壓，輸出不同大小且有正負極性的的電壓供GCU內(nèi)不同功能的模板使用。航空電子設(shè)備內(nèi)部電源的輸入電壓有兩種，一種是低壓直流電，額定電壓為28VDC，另一種是交流電，（單相電壓為115VAC，三相為115/200VAC）或高壓直流電壓為270VDC。輸出電壓也有兩類，低壓和高壓，后者主要用于通信、雷達、電子對抗設(shè)備的發(fā)射機和各種陰極射線管顯示器，電壓達上萬伏至數(shù)萬伏；低壓輸出有24VDC，±12VDC，±5VDC，+6.3VDC，+3.3VDC等。在輸入為低壓，輸出也為低壓的場合，大多采用電源模塊。輸入為高壓，輸出為高壓或低壓的場合，大多采用隔離式直直變換器。

圖4為采用SiC-MOSFET的非隔離式buck電路圖，在分別采用Si快恢復二極管和SiC 肖特基二極管作為續(xù)流管時，對MOSFET和續(xù)流二極管的散熱器溫度進行了測量，結(jié)果如圖5所示。測量結(jié)果反映出采用SiC肖特基二極管作為續(xù)流二極管可以使溫升更低。這主要是由于SiC肖特基二極管能夠大幅度減小系統(tǒng)的損耗，使得MOSFET和續(xù)流二極管的溫度降低。

圖6為諧振正激電路圖，在輸入電壓為270VDC，輸出電壓為28VDC時，原邊主功率管的選取需考慮到最大阻斷電壓與諧振峰值的關(guān)系，假定諧振電壓峰值為800V，考慮到安全裕量，就需采用最大阻斷電壓為1200V的功率管。在此定額下，Si-MOSFET導通電阻較大，Si-IGBT存在電流拖尾問題，限制了開關(guān)頻率。SiC-MOSFET既具有較小的導通電阻，又能高頻工作，較為適合采用。副邊整流二極管理論最大電壓約為200V，而續(xù)流二極管的理論最大電壓為85V，因此二者需要采用不同的二極管，整流管選擇400V/40A，續(xù)流管選擇200V/20A。此時，若采用普通Si二極管，其反向恢復時間一般為幾十納秒，這將影響整機效率，使發(fā)熱增加，若將其換為SiC肖特基二極管，可以使系統(tǒng)溫度降低，效率提高。

3.4 SiC器件在電機驅(qū)動器中的應用

目前，航空系統(tǒng)中的飛控作動器、油泵電機以及環(huán)控系統(tǒng)都需要電機驅(qū)動器，這些電機的功率需求日趨增加，但由于航空系統(tǒng)上電池電壓的限制，只有提升電流才能輸出足夠的功率。而大的電流帶來了更大的耗散功率和發(fā)熱量，這就會增加驅(qū)動器的體積、重量，無形中就增加了航空設(shè)備整個系統(tǒng)的無效載荷，縮短了行程。

SiC肖特基二極管所具有的耐高溫、反向恢復電流幾乎為零的特性，可極大地提高電機驅(qū)動器的性能，減小耗散功率、體積和重量，提高產(chǎn)品的可靠性。

另外當SiC MOSFET制作工藝成熟后，如能替代當前使用的開關(guān)功率器件，因其高溫性能卓著，還可進一步降低電機驅(qū)動器的體積和重量。圖7為三相逆變器與電機連接的原理示意圖。

表2為用于油水隔離器US06的電機驅(qū)動器，對分別采用全Si器件、混合型器件、全SiC器件三種不同器件組合在10 kHz、20kHz兩種頻率下不同溫度時的效率和損耗進行了對比。