Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej w zastosowaniach lotniczych, kosmonautycznych i satelitarnych

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) przynoszą szereg korzyści w konwersji mocy, takich jak zwiększona gęstość mocy i sprawność oraz jednoczesne zmniejszenie rozmiarów i ciężaru układu dzięki przełączaniu przy wyższych częstotliwościach pozwalającemu na zastosowanie mniejszych komponentów pasywnych. Przytoczone zalety mogą mieć jeszcze większe znaczenie w układach zasilania do zastosowań lotniczych, kosmonautycznych i satelitarnych, gdzie rozmiary i ciężar mają krytyczne znaczenie. W niniejszym artykule badamy względne zalety komponentów z półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), takich jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN) we wspomnianych zastosowaniach.

Konwersja mocy w samolotach

Świat zmierza ku bardziej ekologicznej przyszłości, dlatego uwaga skupia się na metodach redukcji emisji z tradycyjnych samolotów napędzanych benzyną. Niektóre rozważane podejścia to:

• Bardziej zelektryfikowane samoloty (MEA): celem jest tu zastąpienie niektórych napędzanych mechanicznie lub hydraulicznie elementów silnika elementami napędzanymi elektrycznie (np. pompy paliwowe).
• Bardziej zelektryfikowane napędy (MEP): w tym przypadku generatory elektryczne są wykorzystywane do hybrydowego wspomagania turbin gazowych, obniżając tym samym zużycie paliwa.
• Samoloty w pełni elektryczne (AEA): bardziej ambitny plan, w którym samolot jest całkowicie elektryczny. Zaczęłoby się od mniejszych samolotów, takich jak śmigłowce, pojazdy mobilności powietrznej w miastach (UAM) oraz samoloty pionowego startu i lądowania (VTOL), na przykład samoloty planowane do wykorzystania w roli taksówek powietrznych.

W nowoczesnych samolotach zwiększony pobór mocy spowodował konieczność zwiększenia napięcia wejściowego generowanego z turbiny gazowej do 230V_~. Napięcie to jest przekształcane przez prostownik na napięcie łącza prądu stałego ±270V₌, znane również jako wysokie napięcie prądu stałego (HVDC). Przetwornice prądu stałego są następnie wykorzystywane do generowania niskiego napięcia prądu stałego (LVDC) o wartości 28V, które jest wykorzystywane do zasilania takich urządzeń jak wyświetlacze pokładowe, pompy paliwowe prądu stałego itp. Podobnie jak w przypadku ładowarek do samochodów elektrycznych, dla których układy są obecnie opracowywane na napięcie 800V, trendem w samolotach jest zwiększanie napięcia w celu zmniejszenia strat w okablowaniu. W samolotach napięcie prądu stałego będzie prawdopodobnie przesuwane w kierunku rzędu kilowoltów, zwłaszcza w układach o napędzie hybrydowym i samolotach w pełni elektrycznych (AEA). Jeśli chodzi o moc, to przetwornice mocy do samolotów bardziej zelektryfikowanych (MEA) mogą pracować w zakresie od 10 do 100kW, natomiast te do układów o napędzie hybrydowym i samolotów w pełni elektrycznych (AEA) muszą być rzędu kilku MW.

Kluczowe wymagania i wyzwania dla energoelektroniki w samolotach

• Rozmiar, ciężar i straty mocy (SWaP): niższe wartości parametrów SWaP są kluczowe, ponieważ są z nimi bezpośrednio związane zużycie paliwa, zasięg i ogólna sprawność. Rozważmy przykład samolotów w pełni elektrycznych (AEA). W tym przypadku system baterii jest najcięższym elementem układu wytwarzania energii elektrycznej. Wymagana wielkość akumulatora zależy od sprawności przemiennika. Już poprawa sprawności przemiennika o 1% z 98% do 99% może zmniejszyć o kilkaset kilogramów rozmiar typowej wymaganej baterii przy gęstości energii 250Wh/kg. Kolejnym kluczowym parametrem jest grawimetryczna gęstość mocy modułu przemiennika (kW/kg). Podobnie znaczący może być rozmiar i ciężar komponentów pasywnych, jak również układu chłodzenia wymaganego dla urządzeń aktywnych przetwornicy.
• Instalowanie elektroniki dużej mocy w pobliżu silnika w obszarach bez presuryzacji wiąże się z wieloma wyzwaniami dotyczącymi temperatury i izolacji. Urządzenia aktywne wymagają znacznego obniżenia parametrów znamionowych w zależności od temperatury, a ich wymagania dotyczące chłodzenia mogą stanowić obciążenie dla całego układu chłodzenia samolotu. Na dużych wysokościach, wyładowania niezupełne mogą występować przy niższych polach elektrycznych, dlatego obudowy półprzewodników i modułów, jak również komponenty izolacyjne, muszą być zaprojektowane z odpowiednim zapasem. Uwzględnienie odpowiednich wartości tolerancji na promieniowanie kosmiczne może również wymagać znacznego obniżenia napięcia dla urządzeń aktywnych.
• Normy dotyczące kwalifikacji i niezawodności: norma DO-160 zawiera zasady testowania sprzętu lotniczego w różnych środowiskach. Bardzo niewiele dostępnych na rynku gotowych komponentów (COTS) posiada certyfikację w tym zakresie, wskutek czego producenci OEM i producenci samolotów muszą zapewnić ją we własnym zakresie, chcąc wykorzystać takie komponenty.

Zalety stosowania półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) w lotnictwie, kosmonautyce i satelitach

Na ilustracji 1 przedstawiono materiały o szerokiej przerwie energetycznej, takie jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), które oferują wiele zalet w stosunku do tradycyjnych urządzeń opartych na krzemie (Si).

Ilustracja 1: porównanie właściwości krzemu (Si), węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN). (Źródło ilustracji: Researchgate)

Te zalety materiałowe przekładają się na wiele korzyści w energoelektronice samolotowej:

• Wyższa przewodność cieplna, zwłaszcza w przypadku węglika krzemu (SiC), ułatwia chłodzenie części takich jak te używane do sterowania silnikiem.
• Wyższe napięcie w układzie zmniejsza straty oporowe w okablowaniu. Dotyczy to zwłaszcza węglika krzemu (SiC). Wykorzystujące go, dostępne na rynku urządzenia charakteryzują się napięciem do 3,3kV, przy czym trwają obecnie badania mające na celu jego podwyższenie.
• Zwiększona niezawodność w wysokich temperaturach. Na przykład zademonstrowano zastosowanie węglika krzemu (SiC) w temperaturze +200˚C.
• Niższe straty przewodzenia i przełączania. Szersza przerwa energetyczna pozwala na mniejszy obszar dryftu przy danym napięciu znamionowym, co prowadzi do obniżenia strat przewodzenia. Ponadto, niższe pojemności pasożytnicze prowadzą do niższych strat przełączania i wyższych szybkości narastania przy przełączaniu.
• Niższe pojemności pasożytnicze pozwalają również na pracę z wyższymi częstotliwościami. Na przykład częstotliwość przełączania w tranzystorze SiC MOSFET 1-5kV może być rzędu setek kHz w porównaniu do wartości kilkudziesięciu kHz możliwych do uzyskania w równoważnych topologiach bazujących na krzemie. Azotkowo-galowe tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (GaN HEMT) dostępne przeważnie w zakresie napięć <700V są unipolarne i charakteryzują się dodatkowymi zaletami w postaci braku strat związanych z regeneracją wsteczną oraz możliwością przełączania przy częstotliwości kilku MHz we wspomnianym zakresie 100V. Dużą zaletą wyższych częstotliwości jest możliwość zmniejszania rozmiarów komponentów magnetycznych.

Na ilustracji 2 porównano sprawność przetwornic podwyższających o częstotliwości 100kHz opartych na azotku galu (GaN) i krzemie (Si).

Ilustracja 2: porównanie sprawności przetwornic podwyższających o częstotliwości 100kHz opartych na krzemie (Si) i azotku galu (GaN). (Źródło ilustracji: Nexperia)

Wszystkie powyższe korzyści prowadzą bezpośrednio do lepszych parametrów SWaP i wyższych gęstości mocy. Na przykład, wyższe napięcia łącza prądu stałego wynikające z zastosowania urządzeń o wyższym napięciu powodują powstawanie mniejszych skutecznych prądów pojemnościowych (RMS) w kondensatorze łącza prądu stałego przetwornicy, co może wpłynąć na obniżenie wymagań dotyczących jego wielkości. Wyższa częstotliwość przełączania pozwala na zastosowanie mniejszych magnesów płaskich o wysokiej częstotliwości. W tradycyjnej przetwornicy mocy komponenty magnetyczne mogą stanowić nawet 40-50% ciężaru całkowitego, a wraz z zastosowaniem urządzeń aktywnych z szeroką przerwą energetyczną pracujących przy wyższych częstotliwościach, odsetek ten maleje. Patrząc na to pod kątem grawimetrycznej gęstości mocy przetwornicy, oparte na krzemie przetwornice chłodzone powietrzem oferują wartość w okolicach 10kW/kg. Dzięki zastosowaniu półprzewodników z szeroką przerwą energetyczną udało się osiągnąć wartość tego parametru na poziomie 25kW/kg, a przy optymalizacji topologii, napięcia obwodu łącza prądu stałego i częstotliwości przełączania teoretycznie możliwe jest osiągnięcie nawet gęstości 100kW/kg.

Wyzwania dotyczące zastosowania półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) oraz potencjalne rozwiązania

Powyższe zalety półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej przekładają się jednak na wiele wyzwań, z którymi należy się zmierzyć. Poniżej przedstawiono niektóre z nich wraz z potencjalnymi rozwiązaniami, które są obecnie badane:

• Większe gęstości mocy bezpośrednio przekładają się na zwiększone wydzielanie ciepła. Wysokie temperatury zmniejszają sprawność konwersji energii i mogą być również problemem z punktu widzenia niezawodności, zwłaszcza w przypadku dużych wahań temperatury. Naprężenia termiczne i mechaniczne mogą wpłynąć na niezawodność obudów modułów zasilania, powodując, niestabilność rozpraszaczy ciepła, takich jak materiały termoprzewodzące (TIM), np. smar termiczny, które łączą podłoża urządzeń aktywnych z radiatorami oraz zwiększają ich opór cieplny. Przykłady badanych rozwiązań:
  • Ulepszone obudowy: obudowy zapewniające dwustronne chłodzenie z wykorzystaniem bezpośrednio chłodzonego podłoża z azotku aluminium o wiązaniach bezpośrednich (DBA) ze spiekami ze srebra, zapewniają lepsze odprowadzanie ciepła. Innym podejściem może być selektywne topienie laserowe (SLM) radiatorów ze stopów proszkowych bezpośrednio na podłożach z aluminium o wiązaniach bezpośrednich (DBA).
  • Ponieważ rozmiar aktywnej struktury wzrasta ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na moc, zastosowanie równoległych struktur w celu uzyskania tej samej powierzchni aktywnej netto może być korzystne dla rozpraszania ciepła.
• Szybsze przełączanie w półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), choć jest korzystne dla zmniejszania strat przy przełączaniu, stwarza większe ryzyko powstawania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Przykładowe rozwiązania:
  • Rozproszone ogniwa filtracyjne zapewniają lepsze parametry działania i mogą zapewnić redundancję.
  • Zastosowanie hybrydowych filtrów aktywno-pasywnych wykorzystujących wzmacniacze do podbicia niskich częstotliwości może zmniejszyć rozmiar netto filtra i poprawić parametry działania.
• Wraz ze wzrostem napięcia znamionowego wzrasta rezystancja właściwa urządzenia zasilającego (R_DS(ON) x A, przy czym R_DS(ON) jest rezystancją w stanie włączenia, a A powierzchnią czynną) ze względu na konieczność stosowania grubszego obszaru dryftu. Na przykład, podczas gdy rezystancja właściwa dla wysokiej temperatury tranzystora SiC MOSFET 1200V może wynosić 1mOhm-mm², dla urządzenia o napięciu znamionowym 6kV może osiągać 10mOhm-mm². Aby osiągnąć wymaganą wartość R_DS(ON) potrzebne jest albo większe urządzenie, albo więcej urządzeń połączonych równolegle, co oznacza wyższe koszty struktury, większe straty przełączania i większe wymagania w zakresie chłodzenia. Przykłady rozwiązań:
• Użycie 3 przetwornic lub topologii wielopoziomowej pozwala na zastosowanie urządzeń o napięciu znamionowym niższym od napięcia łącza prądu stałego. Może to być szczególnie istotne w przypadku urządzeń azotkowo-galowych o napięciu znamionowym poniżej 1kV, gdzie konfiguracja z połączeniem szeregowym na wejściu a równoległym na wyjściu (SIPO) rozkłada napięcie wejściowe na wiele urządzeń, umożliwiając tym samym ich wykorzystanie.

Azotek galu (GaN) i łączność satelitarna

Azotkowo-galowy tranzystor o wysokiej ruchliwości elektronów (GaN HEMT) radzi sobie lepiej z promieniowaniem zarówno od tranzystorów Si MOSFET, jak i tranzystorów SiC MOSFET:

• Warstwa azotku galowo-glinowego (AlGaN) pod elektrodą bramkową nie gromadzi ładunków tak jak tlenek krzemu SiO₂ bramki w tranzystorach MOSFET. W rezultacie całkowita dawka jonizująca (TID) azotek galu (GaN) tranzystora GaN HEMT ulega znacznej poprawie - zgłaszano przypadki przekroczenia 1Mrad - podczas gdy w tranzystorach krzemowych i węglikowo-krzemowych wartość ta zwykle jest liczona w setkach krad.
• W przypadku tranzystorów GaN HEMT poprawie ulegają też efekty elektronów wtórnych (SEE). Brak dziur minimalizuje ryzyko wystąpienia zakłóceń elektronów wtórnych (SEU), a także ryzyko przebicia bramki (SEGR) obserwowane w przypadku tranzystorów krzemowych i węglikowo-krzemowych.

Półprzewodnikowe wzmacniacze mocy (SSPA) oparte na azotku galu (GaN) w dużej mierze zastąpiły lampy próżniowe w wielu zastosowaniach kosmicznych, takich jak satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), zwłaszcza w częstotliwościach od pasma C do Ku/Ka.

Podsumowanie

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), takie jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN) mają wiele zalet w zastosowaniach w przemyśle lotniczym, astronautycznym i łączności satelitarnej. Wykorzystanie i standardy niezawodności w naziemnych zastosowaniach przetwornic mocy ewoluują w miarę rozwoju ich technologii. Przyczyni się do także do wzrostu zaufania jeśli chodzi o ich wykorzystanie w systemach lotniczych, kosmonautycznych i satelitarnych.