Polovodiče WBG v letectví a družicích

Polovodiče WBG (Wide Band Gap) přinášejí několik výhod při přeměně energie, jako je zvýšená hustota výkonu a účinnost, a zároveň snižují velikost a hmotnost systému díky přepínání vyšších frekvencí, které umožňuje použití menších pasivních součástek. Tyto výhody mohou hrát ještě větší roli v leteckých a satelitních napájecích systémech, kde jsou velikost a hmotnost klíčové. V článku prozkoumáme relativní výhody komponent WBG, např. karbidu křemíku (SiC) a nitridu gallitého (GaN) v těchto aplikacích.

Přeměna energie v letadle

S posunem světa vstříc ekologičtější budoucnosti se pozornost zaměřila na způsoby snižování emisí vzniklých provozem letadel s tradičním pohonem. Zde je několik zvažovaných přístupů:

• Více elektrická letadla (MEA): Cílem je zde nahradit některá mechanicky nebo hydraulicky poháněná příslušenství motoru elektricky poháněnými komponentami (např. palivová čerpadla).
• Více elektrický pohon (MEP): V tomto případě elektrické generátory poskytují hybridní asistenci plynové turbíně, což snižuje spotřebu paliva.
• Plně elektrická letadla (AEA): Ambicióznější plán, v němž jsou letadla plně elektrická. To by začalo menšími stroji, například vrtulníky, prostředky městské letecké mobility (UAM) a letadly s vertikálním vzletem i přistáním (VTOL), jako jsou letadla plánovaná pro použití jako aerotaxi.

U moderních letadel si zvýšená spotřeba energie vyžádala zvýšení vstupního napětí generovaného plynovou turbínou na 230 V_AC. Toto napětí převádí usměrňovač na napětí meziobvodu ±270 V_DC – také známé jako napětí HVDC. DC/DC převodníky pak slouží k výrobě stejnosměrného napětí o napětí 28 V, které se používá k provozu zařízení, jako jsou displej v pilotní kabině, stejnosměrná palivová čerpadla atd. Stejně jako v případě nabíječek pro elektromobily, kde se nyní vyvíjejí systémy pro 800 V, je i v letadlech trendem zvyšovat napětí za účelem snížení ztrát v kabeláži. V letadlech se stejnosměrné napětí pravděpodobně posune směrem k rozsahu kV, zejména v systémech hybridního pohonu a AEA. Pokud jde o výkon, mohou se výkonové převodníky MEA pohybovat od 10 do 100 kW, zatímco výkonové převodníky s hybridním pohonem a AEA musí být v rozsahu několika MW.

Klíčové požadavky a výzvy týkající se napájecí elektroniky v letadlech

• Velikost, hmotnost a ztráta výkonu (SWaP): Nižší metriky SWaP jsou klíčové, protože s nimi přímo souvisí spotřeba paliva, dolet a celková účinnost. Vezměme si kupříkladu AEA. V tomto případě je bateriový systém nejtěžší součástí systému produkce elektrické energie. Požadovaná velikost baterie závisí na účinnosti invertoru. I 1% zlepšení účinnosti invertoru z 98 % na 99 % může snížit velikost baterie potřebnou pro typickou baterii s hustotou energie 250 Wh/kg o několik stovek kilogramů. Další klíčovou metrikou je gravimetrická hustota výkonu invertorového modulu (kW/kg). Podobně podstatná může být také velikost a hmotnost pasivních komponent, jakož i chladicí systém nezbytný pro aktivní zařízení převodníku.
• Vysoce výkonná elektronika nainstalovaná v blízkosti motoru v netlakových oblastech se potýká s mnoha problémy souvisejícími s teplem a izolací. Aktivní zařízení vyžadují výrazné snížení teploty a jejich požadavky na chlazení mohou představovat zátěž pro systém celkového chlazení letadla. Ve vysokých nadmořských výškách může docházet k částečným výbojům při nižších elektrických polích, a proto je třeba navrhovat obaly polovodičů a modulů i izolační prvky s dostatečnou rezervou. Zajištění tolerance vůči vystavení kosmickému záření může rovněž vyžadovat významné snížení napětí pro aktivní zařízení.
• Kvalifikace a standardy spolehlivosti: DO-160 je pravidlem pro testování avionického hardwaru v různých prostředích. Jen velmi málo komerčních komponent (COTS) je pro tyto účely certifikováno, což vede výrobce OEM a výrobce letadel k tomu, aby jejich použití kvalifikovali a zajistili.

Výhody použití výkonových polovodičů se širokým pásmem (WBG) v letectví a družicích

Materiály WBG, jako je SiC a GaN, nabízejí mnoho výhod oproti tradičním zařízením na bázi křemíku (Si), jak ukazuje obrázek 1.

Obrázek 1: Porovnání materiálových vlastností pro Si SiC a GaN. (Zdroj obrázku: Researchgate)

Výhody těchto materiálů se promítají do mnoha přínosů v napájecí elektronice letounů:

• Vyšší tepelná vodivost, zejména v případě SiC, usnadňuje chlazení součástí, jako jsou ty, které se používají k ovládání motoru.
• Vyšší systémové napětí snižuje ohmické ztráty v kabeláži. To platí zejména pro SiC, kde jsou komerční zařízení dostupná až do 3,3 kV, přičemž se aktivní výzkum zaměřuje na další rozšíření.
• Vylepšená spolehlivost při vysokých teplotách. Například byl u SiC prokázán provoz při více než 200 ˚C.
• Nižší ztráty ve vedení a spínání. Vyšší pásmová propust umožňuje při daném jmenovitém napětí menší driftovou oblast, což se projeví snížením ztrát při vedení. Kromě toho nižší parazitní kapacity vedou k nižším ztrátám při přepínání s vyššími rychlostmi přepínání.
• Nižší parazitizmus také umožňují provoz při vyšších frekvencích. Například spínací frekvence u 1–5 kV SiC MOSFET mohou být v řádu 100 kHz ve srovnání s 10 kHz možnými u odpovídajících topologií v Si. Zařízení GaN HEMT (tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů) – ačkoli jsou většinou k dispozici v rozsahu napětí <700 V – jsou unipolární a přináší další výhody bez zpětných ztrát při obnově a schopnosti přepínat při několika MHz v tomto rozsahu 100 V. Velkou výhodou vyšších frekvencí je schopnost zmenšit velikost magnetů.

Obrázek 2 porovnává účinnost 100kHz zesilovacích převodníků na bázi GaN a Si.

Obrázek 2: Porovnání účinnosti mezi Si a GaN pro 100kHz zesilovací převodník. (Zdroj obrázku: Nexperia)

Všechny výše uvedené výhody přímo vedou k lepším metrikám SWaP a vyšší hustotě výkonu. Například vyšší napětí stejnosměrného meziobvodu v důsledku použití zařízení s vyšším jmenovitým napětím vytváří menší kapacitní efektivní proud v kondenzátoru stejnosměrného meziobvodu převodníku, což může zajistit snížení jeho velikosti. Vyšší spínací frekvence umožňuje použití kompaktnějších vysokofrekvenčních planárních magnetů. V tradičním výkonovém převodníku mohou magnetické komponenty představovat až 40–50 % celkové hmotnosti, přičemž při použití aktivních zařízení WBG pracujících na vyšších frekvencích toto procento klesá. Když se na to podíváme z hlediska gravimetrické hustoty výkonu invertoru, vzduchem chlazené měniče na bázi Si se pohybovaly kolem 10 kW/kg. Při použití WBG tento ukazatel v mnoha demonstracích systémů překročil 25 kW/kg a ukazuje se, že při optimalizovaných topologiích, stejnosměrných napětích a spínacích frekvencích je teoreticky možné dosáhnout hustoty až 100 kW/kg.

Problémy použití výkonových polovodičů se širokým pásmem (WBG) a potenciální řešení

Výše uvedené výhody WBG se však promítají do mnoha problémů, které je třeba řešit. Níže jsou zmíněny některé z těchto problémů a možná řešení, která se v současné době zkoumají:

• Vyšší hustota výkonu se přímo promítá do zvýšené produkce tepla. Vysoké teploty snižují účinnost přeměny energie a mohou také představovat problém se spolehlivostí, zejména pokud teplotní cykly zahrnují změny vysokých teplot. Tepelně-mechanické namáhání může ovlivnit spolehlivost balení napájecího modulu tím, že rozvaděče tepla, jako jsou materiály tepelného rozhraní (TIM) – například tepelná pasta – spojující aktivní substráty zařízení s chladiči začnou být nestabilní a zvýší se jejich tepelná odolnost. Zde je několik zkoumaných řešení:
  • Vylepšené balení: Obaly, které nabízejí oboustranné chlazení s přímo chlazenými substráty z nitridu hliníku (DBA) se slinutým stříbrem, dosahují lepšího odvodu tepla. Mezi další přístupy patří selektivní laserové tavení (SLM) chladičů práškových slitin přímo na substráty DBA.
  • S rostoucí velikostí aktivní matrice v důsledku zvýšených požadavků na výkon může být z hlediska rozptylu tepla výhodné použití paralelních matric k dosažení stejné čisté aktivní oblasti.
• I když jsou rychlejší spínací přechody s WBG dobré pro snížení spínacích ztrát, vytvářejí větší riziko elektromagnetického rušení (EMI). Příklady řešení tohoto problému:
  • Distribuované filtrační buňky nabízejí lepší výkon a mohou poskytovat redundanci.
  • Využití hybridních aktivně-pasivních filtrů s použitím zesilovačů pro zesílení nízkých frekvencí může snížit čistou velikost filtru a zlepšit výkon.
• S rostoucím jmenovitým napětím roste měrný odpor výkonového zařízení (R_DS(ON) × A, R_DS(ON) je odpor v zapnutém stavu a A je aktivní plocha) v důsledku nutnosti větší tloušťky driftové oblasti. Zatímco vysokoteplotně specifický odpor 1200 V SiC MOSFET například může být 1 mOhm-mm², může dosáhnout 10 mOhm-mm² pro zařízení s jmenovitým napětím 6 kV. Ke splnění cíle R_DS(ON) jsou zapotřebí větší zařízení nebo více paralelních zařízení, což znamená vyšší náklady na lisování, větší spínací ztráty a větší požadavky na chlazení. Příklad některých řešení:
• Použití 3- nebo víceúrovňové topologie převodníku umožňuje použití zařízení s nižším jmenovitým výkonem, než je napětí meziobvodu. To může být důležité zejména u zařízení GaN s napětím nižším než kV, kde konfigurace SIPO (series in, parallel out) rozděluje vstupní napětí mezi mnoho zařízení, a umožňuje tak jejich použití.

GaN a satelitní komunikace

Z hlediska toho, jak dobře zvládá záření, je zařízení GaN HEMT lepší než Si i SiC MOSFETy:

• Vrstva AlGaN pod hradlovou elektrodou neshromažďuje náboj jako oxid SiO₂ v MOSFETech. Výsledkem je, že výkon celkové ionizační dávky (TID) e-módu GaN HEMT se výrazně zlepšil, přičemž zprávy o provozu překračují jeden Mrad (megarad), zatímco u Si/SiC se tato hodnota pohybuje v řádu stovek kradů (kilorad).
• S GaN HEMT se zlepšují i sekundární elektronové efekty (SEE). Nedostatek děr minimalizuje riziko sekundárních elektronových výbojů (SEU) a zároveň minimalizuje riziko roztržení hradla, které se vyskytuje u Si a SiC (SEGR).

Polovodičové výkonové zesilovače na bázi GaN (SSPA) do značné míry nahradily elektronková zařízení v mnoha vesmírných aplikacích, jako jsou družice na nízké oběžné dráze (LEO), zejména ve frekvencích od C do Ku/Ka pásem.

Závěr

Polovodiče WBG jako SiC a GaN mají mnoho výhod při použití v letectví a družicích. S tím, jak se zdokonaluje jejich technologický vývoj, použití a standardy spolehlivosti v pozemních aplikacích pro přeměnu energie, se bude zvyšovat důvěra v jejich použití i v kosmických a družicových systémech.