SiC 器件在飞机中提供更高的功率效率

碳化硅 （SiC） 是一种下一代材料，计划显着降低功率损耗并实现更高的功率密度、电压、温度和频率，同时减少散热。高温可操作性降低了冷却系统的复杂性，从而降低了电源系统的整体架构。

与过去几十年相比，航空业最近经历了快速增长，到 2020 年，预计空中交通量将以每年 5% 的速度增长。新的航空航天世界在用于电源和电机控制的 SiC 器件中找到了新的电源管理解决方案。

碳化硅有望在航空工业中降低重量和减少燃料消耗和排放，例如，碳化硅 MOSFET 在更高工作温度下的稳定可操作性吸引了研究人员对高功率密度功率转换器的兴趣。

用于飞机的 SiC 器件 More Electric Aircraft （MEA） 是 10 多年来专注于航空工业的研发课题，它代表了电子系统设计和生产的一场革命。结果导致新的电源解决方案从主要的辅助支持网络扩展到显着更高的能源需求，不仅为飞行娱乐系统（后部平面屏幕）供电，还为环境控制设备、电动机和无数安全系统供电和整个飞机的传感器。

使用 SiC 和氮化镓 （GaN） 等材料开发能够承受高电压和电流的新型半导体器件，为电力电子技术带来了决定性的积极变化。SiC具有宽带隙、高导热性和高抗电场破坏能力，有助于降低功率损耗。除航空航天领域外，一个特定的应用领域是电动汽车，其中对更紧凑、高功率密度和高温运行的需求至关重要。

硅一直是许多应用中的主要技术，但随着这些新型宽带功率半导体（特别是 SiC MOSFET 和 SiC 二极管）的出现，与传统的硅基技术相比，电力电子设计人员可以利用新的更高开关速度并降低损耗。

此外，SiC MOSFET 技术有望显着减小航空电子电源开关的尺寸和重量，显着降低燃料消耗和排放，符合各国政府的目标。航空业已经认识到 SiC 的潜在优势，它对电源系统的所有领域都有明显的影响。

在飞机上，我们可以识别各种使用电源组件的电子系统。AC/DC 和 DC/DC 电源转换器用于高压和低压 （28 V） 的各种解决方案。

使用 SiC 器件的电力电子和电机驱动电路的关键设计问题之一是栅极驱动调节电路的管理。管理门控时序是一项严峻的挑战。一种方法是平衡 SiC 器件的速度，以确保将损耗保持在最低水平，这可以通过精确的栅极驱动器设计来实现。

在过去几年中，市场上来自多家供应商的 1，200-V SiC MOSFET 在高沟道迁移率、氧化物寿命和阈值电压稳定性方面达到了出色的质量水平。

飞机解决方案例如，Microchip Technology Inc. 通过其 Microsemi 子公司推出的新一代 1，200-V SiC MOSFET 和 1，200-V SiC 肖特基势垒二极管 （SBD） 适用于开关电源和控制应用商业航空和汽车领域的模式。一个例子是 40-mΩ MSC040SMA120B MOSFET，它提供高短路电阻以实现可靠运行。

SiC MOSFET 和 SiC SBD 的设计具有在额定电流下非钳位感应开关 （UIS） 的高重复能力，不会出现退化或故障。在车载充电和 DC-DC 电源转换系统中集成 SiC 器件可实现更高的开关频率和更低的损耗（图 1）。

评估 SiC MOSFET 的一个重要参数是雪崩耐用性，它通过 UIS 测试进行评估。雪崩能量显示了 MOSFET 在驱动感性负载时有时会发生瞬变的能力。

图 1：Microsemi 的 MSC040SMA120B MOSFET 的动态特性。

SiC MOSFET 的故障时间 （FIT） 速度比 IGBT 低 10 倍。它们提供相似的标称电压，而 SBD 完善了 SiC MOSFET 的稳健性，其 UIS 值比其他典型解决方案高 20%。与 IGBT 相比，它们还可以在更高的开关频率下提供更好的效率、减小的系统尺寸和重量、高温运行稳定性 （175°C），并显着节省冷却成本。

由于碳化硅具有比硅更高的临界破裂场，因此 SiC MOSFET 可以在比硅 MOSFET 更小的封装中实现相同的额定电压。Solid State Devices Inc. （SSDI）的 SFC35N120就是一个例子。1，200-V SiC 功率 MOSFET 提供低于 30 ns 的典型快速开关速度。该器件在 150°C 时的最大电阻为 190 mΩ，有助于并行配置并减少对风扇和散热器等热管理硬件的需求。

Analog Devices Inc. 与 Microsemi 之间的合作将首款用于 SiC 半桥电源模块 的高功率评估板推向市场，其开关频率高达 1，200 V 和 50 A @ 200 kHz。该卡旨在提高设计的可靠性，同时减少创建额外原型的需要以节省时间，以及降低成本和上市时间。大功率评估板适用于电动汽车 （EV） 充电、车载 EV/HEV 充电、DC/DC 转换器、开关模式电源、大功率电机控制和驱动系统、航空、磁共振和X 射线。

来自 Cree 公司 Wolfspeed的 1，200-V CAS325M12HM2 SiC 电源模块采用 SiC 半桥拓扑结构，代表了采用高性能 62-mm 封装的新一代全 SiC 电源模块。该模块使用 1，200-V C2M SiC MOSFET 和 1，200-V 肖特基二极管。SiC 器件卓越的热特性以及设计和封装材料使该模块能够在 175°C 下运行，这对于许多工业、航空航天和汽车应用来说是一个至关重要的优势。

结论与硅 MOSFET 和 IGBT 解决方案相比，SiC MOSFET 和 SiC SBD 产品线提高了电源系统的效率，同时降低了总拥有成本，允许扩展系统以及更小、更便宜的冷却。

基于 SiC 的开关器件的主要优势之一是在恶劣环境 （600°C） 中运行，在这些环境中，传统的硅基电子设备无法工作。碳化硅在高温、高功率和高辐射条件下运行的能力将提高各种系统和应用的性能，包括飞机、车辆、通信设备和航天器。

今天，SiC MOSFET 是长期可靠的功率器件。未来，预计多芯片电源或混合模块将在 SiC 领域发挥更重要的作用。

审核编辑：彭静