碳化硅(SiC)功率器件在航空與航天領(lǐng)域的應(yīng)用與技術(shù)前景

隨著飛機、航天和衛(wèi)星系統(tǒng)對功率轉(zhuǎn)換需求的快速發(fā)展，技術(shù)趨勢正朝著更高功率和電壓水平、更小尺寸、更輕重量以及更高效率的轉(zhuǎn)換器方向發(fā)展。寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，在功率轉(zhuǎn)換器中具有許多優(yōu)勢，例如提高功率密度和效率，因此可能非常適合于空間應(yīng)用。然而，這些WBG器件的抗輻射性能需要被仔細(xì)考慮。本文概述了在飛機和空間功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域使用SiC器件的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

飛機和空間功率轉(zhuǎn)換器的趨勢與需求

1.尺寸、重量和功率損失(SWaP)

降低SWaP指標(biāo)(尺寸、重量和功率損失)意味著更低的燃料消耗、更長的續(xù)航里程和更大的有效載荷，同時使系統(tǒng)變得更簡單、更可靠。以全電動飛機(AEA)為例，電池系統(tǒng)可能是最重的組件。假設(shè)一款典型能量密度為250 Wh/kg的電池，僅通過將逆變器效率提高1%，就有可能減少幾百公斤的電池重量。此外，逆變器模塊本身、被動組件和冷卻模塊尺寸與重量的減少，還能將更多的飛機或衛(wèi)星重量用于有效載荷或燃料，從而降低成本并改善續(xù)航性能。

2.提高功率水平

目前，國際空間站等高級航天器的功率水平通常限制在100~150 kW左右。然而，探索性任務(wù)(例如月球門戶站和計劃中的火星任務(wù))需要更高的功率水平。以太陽能電推進(jìn)(SEP)系統(tǒng)為例，其功率水平從最初的約5 kW已經(jīng)提高到30 kW，并且預(yù)計在未來的一些火星探索任務(wù)中將增長到100~300 kW的范圍。更高功率的SEP系統(tǒng)能夠更快、更輕松地進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移和機動。同樣，在飛機應(yīng)用中，計劃中的“更多電氣化飛機”(MEA)中的功率轉(zhuǎn)換器功率范圍通常為幾十到幾百千瓦，而全電動飛機的功率需求可能會上升到兆瓦級別。

3.提高母線電壓

現(xiàn)代飛機中的直流母線電壓通常為±270 V。與電動汽車行業(yè)推動電壓從400 V提升至800 V的趨勢類似，航空領(lǐng)域也在推動母線電壓向更高的千伏級靠攏，特別是在混合動力推進(jìn)和全電動飛機系統(tǒng)中。更高電壓的一個關(guān)鍵好處是減少電纜損耗。通常，對于相同功率，導(dǎo)體的體積與電壓的平方成反比。也就是說，將系統(tǒng)電壓從100 V提升到300 V，可以將電纜的重量減少至原來的1/9，從而顯著降低系統(tǒng)的總體重量。此外，更高的直流鏈路電壓會降低轉(zhuǎn)換器直流鏈路電容器的RMS電流需求，從而減少電容器的體積要求。

SiC器件在航天和航空領(lǐng)域的應(yīng)用

SiC功率器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多地面功率轉(zhuǎn)換場景，例如電動汽車的牽引逆變器、可再生能源的發(fā)電、儲能與分配轉(zhuǎn)換器，以及工業(yè)電機驅(qū)動等。與傳統(tǒng)的硅功率器件相比，SiC具有以下顯著優(yōu)勢：

更容易擴展電壓至超過1 kV，并在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)越性。對于高電壓系統(tǒng)，高效的SiC器件允許用更少的模塊替代串聯(lián)或并聯(lián)的低電壓硅模塊，從而簡化電路復(fù)雜性并提高系統(tǒng)可靠性。

能夠在更高的頻率下開關(guān)，允許使用更小的被動組件(例如高頻平面磁性元件)，從而提高功率密度。

SiC的高導(dǎo)熱性以及其在高溫下的可靠運行，拓寬了其在惡劣空間環(huán)境中的安全操作范圍，并簡化了冷卻需求。

SiC功率器件的抗輻射性能

抗輻射能力是任何用于航天應(yīng)用的半導(dǎo)體器件需要考慮的關(guān)鍵因素。這包括可預(yù)測的輻射暴露(例如地球周圍的范艾倫輻射帶)，以及偶發(fā)的、不可預(yù)測的事件(例如太陽耀斑)。不同的使用場景對抗輻射性能的要求也有所不同。例如，低地球軌道衛(wèi)星使用壽命較短，因此可以使用輻射容限較低的器件，而地球同步軌道和深空任務(wù)由于設(shè)計壽命較長，對抗輻射性能的要求更高。

以下是一些通常用于功率器件的輻射測試以及CoolCAD Electronics公司SiC器件的測試結(jié)果：

1.總電離劑量(TID)測試

總電離劑量(TID)表示器件暴露于輻射的累積劑量，通常以千拉德(kRad)為單位。在實驗室中，通常使用鈷60(Co-60)源產(chǎn)生伽馬射線來進(jìn)行此測試。輻射產(chǎn)生的電子-空穴對可能會在氧化物層或氧化物/半導(dǎo)體界面處累積。典型的響應(yīng)是由于不移動的空穴導(dǎo)致的正電荷積累，從而降低NMOS功率器件的閾值電壓(Vth)。SiC較高的電離能量以及在其氧化物上較低的空穴捕獲效率使其對TID更加耐受。

2.重離子單粒子效應(yīng)(SEE)

重離子輻射對SiC器件的影響更為復(fù)雜，可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障(如單粒子燒毀和單粒子?xùn)艠O破裂)以及非災(zāi)難性故障(如單粒子泄漏電流)。

在半導(dǎo)體區(qū)域和閘門氧化物中,單事件耗盡(SEB)和單事件閘門斷裂(SESR)是災(zāi)難性的故障。在SEB的情況下,可以打開寄生的雙極器件(源/體/排水管),導(dǎo)致雪崩的增殖和局部高溫造成的燒灼。在賽格的情況下,高電場在閘門氧化物是罪魁禍?zhǔn)住Ｔ谳^低的排水偏差下,非災(zāi)難性損害表現(xiàn)為單事件泄漏電流(SERC)。

SIC器件比硅器件具有更大的電場,因此更容易受到SIC、SER和SEB的影響。2 在低到10%的額定器件電壓的偏差下,可發(fā)生CEC。災(zāi)難性的SEB損害可以發(fā)生在低到三分之一的額定設(shè)備電壓的排放偏差。這種偏置依賴極大地限制了設(shè)備的輻射硬安全工作區(qū)。例如,商用1200V級電力裝置的耗損閾值約為500V級。保守的50%的脫軌意味著最大的安全操作偏差只有250V。美國航天局最近的空間功率和能量存儲技術(shù)路線圖指出,目前最先進(jìn)的空間輻射強化功率分配組件的限制為200V。3因此,上一節(jié)中概述的對更高總線電壓的需求為改進(jìn)這一輻射強化安全區(qū)提供了動力。

庫爾卡德已致力于實現(xiàn)一個目標(biāo),以實現(xiàn)重離子允許至少40毫米的 2 至少10毫克/毫克 5 離子/厘米 2 到300伏傾斜水平。圖2顯示了COLCAD的設(shè)備在一個20毫米的小塊空間中,在沒有災(zāi)難性損壞的情況下達(dá)到1kV以上 2 10毫克/毫克 5 離子/厘米 2 .在更高的小塊,精疲力竭的閾值是略低于1kv。

3.中子輻射損害

中子可能對電子產(chǎn)品構(gòu)成最大的威脅,因為它們相對較重,具有很大的捕獲截面,并且具有很高的穿透力。失效機理與重離子產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)相似。在硅功率器件中,寄生雙極器件被激活。然而,在碳化硅中,碳的存在造成了額外的失效機制。圖3(a)顯示,較輕的碳原子產(chǎn)生的較大的空間撞擊效應(yīng),會在較低的排放偏差處造成故障尾巴。通過過程和設(shè)計的改變,COLCAD已經(jīng)在其設(shè)備中展示了對這種故障模式的改進(jìn)。圖3(b)顯示了這一點,在圖3(b)中,帶有改進(jìn)設(shè)備的藍(lán)點顯示出較低的適合率。由于在750-V傾斜點沒有失敗,顯示的三角形代表失敗的上限。

4.置換損害

在進(jìn)入粒子(如質(zhì)子)的晶格原子位移方面,碳化硅的原子鍵更強,這使它比硅更有優(yōu)勢。碳化硅的位移閾值超過10 12 每平方厘米的質(zhì)子或中子,比硅高,隨粒子流動而增加的泄漏較少。

SIC器件顯示出良好的TID和位移傷害容忍性。他們的可見光閾值相對較低,需要顯著的電壓脫軌.當(dāng)碳化硅動力裝置對大氣中子表現(xiàn)出極好的失效率時,它們的尾部分布延伸到較低的偏斜。改進(jìn)SIC電力設(shè)備的設(shè)備設(shè)計和工藝可以改進(jìn)這些輻射強度指標(biāo),從而有可能將其用于未來空間和飛機應(yīng)用所需的高功率和高電壓功率轉(zhuǎn)換模塊。