用于飞机电气系统的 SiC 功率模块

设计人员正在逐步寻求更有效的解决方案，以减少飞机系统的排放，在控制系统中使用更多的电子设备，包括取代气动和液压系统的电子设备，从机载交流发电机到执行器和辅助动力装置 （APU）。Microchip Technology 与欧盟委员会 （EC） 和工业界的联合财团 Clean Sky 合作，为航空航天业开发了 BL1、BL2 和 BL3 基于 SiC 的无基座电源模块。这些模块可实现更高效、更轻、更紧凑的功率转换和发动机驱动系统。

Microchip 集成电源解决方案高级经理 Mike Innab 告诉 Power Electronics News，尺寸、重量和成本是航空电源转换器中最重要的因素。“由于更高效的飞行，更小的尺寸和更轻的重量等同于航空的长期成本效益。” 在竞争激烈的飞机业务中，它们以及初始成本都很重要。商品的长期可靠性和稳健性也很关键，”Innab 说。

他声称，与许多其他行业一样，航空业寻求用更小、更轻、维护成本低的机电系统来取代更大、更重、更难以维护的气动和液压系统。“机电系统的整体运行成本明显低于气动或液压系统。这些电动飞机现在拥有更多的电力电子设备，因此需要更小、更轻、更高效的电力系统。如前所述，碳化硅半导体实现了这一点，”Innab 解释说。

碳化硅MOSFET和二极管

为了在 2050 年之前达到 EC 为气候中和航空设定的排放限制，Microchip 的产品系列旨在通过集成其碳化硅功率半导体，在 AC-DC 和 DC-AC 功率转换和发电方面提供更高的效率技术。

碳化硅有望为航空航天业提供更轻的组件，从而降低能耗和排放。这种材料有助于在更小、更轻的设备中为给定的电压和电流额定值提供更高的功率密度。

Innab 强调，SiC 半导体由于其固有的比硅 （Si） 半导体更快的开关能力，可以转化为更紧凑、更高效的电源系统，同时损耗更低，产生的热量更少。SiC 的物理特性为大功率电子设备提供了理想的物理结构，从而改善了重量和形状方面的形状因数，这对航空至关重要。

“通过减小无源器件的尺寸和减少冷却需求，更高的开关频率和更低的热损失允许更小、更轻的电源转换系统。功率转换系统中使用的储能（电容器）和磁性元件（变压器和电感器）的尺寸和重量几乎与开关频率的增加成正比，因此使用 SiC 可实现的更高开关频率产生更轻的功率转换系统，”Innab 说。

此外，Innab 认为 SiC 半导体的较高开关速度还通过最大限度地减少电流和电压在其极端之间转换的时间来降低系统中的功耗，这是一种非常有损耗的状态，因此在这种状态下的时间越少越少整体功率损失，这也导致系统冷却需求减少。

“所有这些都转化为更小、更轻、效率更高、更具成本效益的系统。SiC 对于航空业来说仍然是新事物，其耐用性和预测长期可靠性的能力至关重要。航空业采用新技术的速度通常很慢，因为对任何特定新技术的信心都需要时间来充分发展，”Innab 评论道。

新的电源模块具有改进的基板，可节省成本和重量。Microchip 指出，由于不需要金属基板，该结构在 100W 至 10kW 的功率范围内比其他结构轻 40%。

Microchip 的 BL1、BL2 和 BL3 器件符合 RTCA DO-160G“机载设备的环境条件和测试程序”G 版（2010 年 8 月）中规定的所有机械和环境合规性指南。该系列包含碳化硅 MOSFET 和肖特基势垒二极管 （SBD） 以及 IGBT。它们采用扁平、低电感的外形尺寸，连接器直接位于 PCB 上，以缩短开发时间并提高整体系统可靠性。该布局允许它们并联或以三相桥和其他拓扑连接，以实现更复杂的电源转换器和逆变器。

“SBD 用于隔离高压，而 SiC SBD 在更高的电压下比 Si 更稳健，因为它们是宽带隙器件。SiC 半导体通常比同类 Si 半导体更小，并且可以在更高的温度下工作，从而实现更小的尺寸和更可靠的操作，”Innab 说。

这些模块有 75A 和 145A 碳化硅 MOSFET、50A 作为 IGBT 和 90A 作为整流二极管输出。在提供 100W 至超过 10 KW 功率的封装中，BL1、BL2 和 BL3 模块提供多种拓扑选项，包括相脚、全桥、不对称桥、升压、降压和双共源。

目前，标准硅器件仍然是电力电子市场的主要部分。新的碳化硅解决方案正在作为一种新的半导体元件出现，以应对不久的将来的高功率挑战。碳化硅的介电强度是硅的 10 倍，因此可以制造在更高电压下运行的设备，并满足航空领域以及充电基础设施和智能电网的要求。