SiC器件优越性、发展以及在电源系统的应用分析

SiC器件在航空二次电源中的应用

引言

众所周知，飞机在飞行、使用与停放过程中，其周围的气候条件变化范围大且变化速度快，因此，航空电气设备的工作条件要比地面工业设备复杂，从而对飞机电源系统的要求很高。

二次电源作为电源系统中的重要电能转换装置，主要包括：航空静止变流器、变压整流器、直直变换器、电机驱动器。航空二次电源工作环境恶劣，对性能、可靠性、重量、体积和能耗等方面都有着极其苛刻的要求。目前，航空二次电源主要由基于Si器件的功率变换装置构成。但由于Si电力电子器件经过近60年的发展，其性能已接近其理论极限，难以再有大幅度的提升，成为制约航空二次电源进一步提升性能的瓶颈之一。

经研究者的努力，以SiC为代表的宽禁带半导体材料逐渐展示出及其优异的性能。SiC功率器件耐高温、抗辐射，具有较高的击穿电压和工作频率，适于在恶劣条件下工作。与传统Si功率器件相比，SiC功率器件可大大降低功耗。因此，可大幅度降低电力电子装置体积和重量，提高可靠性，在航空二次电源中具有极其广阔的应用前景。

2 SiC器件优越性及发展简况

SiC作为目前最受关注的宽禁带半导体材料之一，被人们称为继Si和GaAs之后的第三代半导体，在电力电子器件制造方面具有广阔的发展前景。表1为SiC宽禁带半导体材料与Si材料的电学特性参数的对比。

由表1可以看出：

1) SiC的禁带宽度大

由于半导体材料的禁带宽度决定器件的工作温度，禁带宽度越大，器件的工作温度越高。因此，SiC器件的工作温度可以高达600°C，并具有极好的抗辐射性能。350~500℃下工作的高温集成电路将在航空设备(涡轮发动机、飞行器的电气自动化)、核能仪器、卫星、空间探测器、地热井等众多方面得到广泛的应用。

2) SiC的击穿场强高

SiC的击穿电场约为2.5MV/cm，这个值大约是Si材料的10倍。这使得SiC功率半导体器件的最高工作电压比同类的Si器件高得多，如Si肖特基二极管最高阻断电压在一两百伏，而SiC肖特基二极管的阻断电压最高已经达到1700V。因此，SiC的高击穿场强特性使其更容易实现航空系统中对功率半导体器件的耐高压的要求，譬如可以用SiC制作击穿电压很高的pin二极管和IGBT

3) SiC器件的比导通电阻小

功率半导体器件的比导通电阻跟材料击穿电场的立方成反比，SiC具有比Si材料高一个数量级的击穿电场，因此SiC器件有更小的比导通电阻。在相同击穿电压下，SiC器件的比导通电阻理论值只有Si器件的百分之一。低的比导通电阻会减小损耗，带来系统效率的提高。

4) SiC的热导率高

SiC材料比Si材料热导率高近3倍。SiC材料制作的集成电路可以减小甚至不用散热系统，可以有效的减轻体积和重量，大大提高系统集成度。并能在高温和高辐射的环境中改善系统的稳定性和可靠性。这正符合航空二次电源对体积、重量、可靠性等方面的高标准要求。

5) 最大电子饱和速度大

SiC材料的最大电子饱和速度是Si材料的2倍，有更高的电流密度和更快的开关速度，适合于高频和大功率应用。

基于SiC的电力电子器件阻断电压高、工作频率高、耐高温工作能力强，同时又具有开关损耗小和比导通电阻低等优势，采用SiC电力电子器件可以大大降低装置的功耗、缩小装置的体积。

目前，欧美、日本等国家在SiC单晶制作方面处于领先地位，多家公司可生产SiC单晶芯片，比如美国的Cree公司、PowerEx公司、Semisouth Laboratories公司、Microsemi公司和IR公司，德国的英飞凌公司，日本的罗姆公司等。目前，尽管产量、成本及可靠性等问题仍对SiC功率器件商品化有所限制，但SiC器件替代Si器件的过程已逐渐开始。早在2011年全球在SiC生产和研发方面投资超过10亿美元，未来几年，SiC功率器件的市场将以每年50%~70%的速度上升，预计在2019年达到80亿美元.

由于SiC单晶材料和外延设备的限制，国内在SiC功率器件方面的实验研究起步较晚。目前研究SiC器件的科研院所主要有西安电子科技大学、西安理工大学、浙江大学、北京交通大学、北京工业大学、电子科技大学、南京航空航天大学、山东大学、南京大学、中国科学院半导体研究所、中电13所、中电46所、中电55所等。据报道，我国天科合达蓝光公司进入SiC衬底市场后影响较大，降低了国际市场上SiC衬底的售价，从而推动了SiC功率器件的更快普及。

3 SiC器件在航空二次电源的应用分析

基于SiC功率器件的优势，以下对其在航空二次电源中的应用进行分析，预估其对整机性能带来的影响。

3.1 SiC器件在航空静止变流器中的应用

航空静止变流器（Aeronautical Static Inverter, ASI）是飞机上的一种二次电源。直流电源为主电源的飞机上，用于向交流用电设备供电；在交流电源为主电源的飞机上作为应急备用电源。ASI是采用功率半导体器件，将低压28V或高压270V直流电变换成输出电压为115V/200V，36V或26V，频率为400Hz的单相或三相交流电的一种静止变流装置。图1为典型的正弦脉宽调制两级式静止变流器，前级为 DC/DC级，将 270V直流变换为180V直流，并实现电气隔离，后级为DC/AC级，将180V 直流逆变为115V/400Hz。

前级变换器作为桥式逆变器的直流输入环节，其输入电压为270V，输出电压要达到180V以上并且具有电气隔离功能。对于双管正激、推挽、半桥、全桥等DC/DC变换器，半桥、全桥电路相对于双管正激、推挽电路而言，主开关管承受的电压应力减小一半，但一般考虑安全裕量，选用耐压500V左右的功率器件，对于这种电压等级的器件，普通Si管的导通电阻为1欧左右，而SiC管的导通电阻只有几十毫欧，其导通损耗理论上只有Si管的百分之一，因此，采用SiC器件使系统效率得到提高；对于副边整流二极管一般选择反向恢复时间较短的肖特基二极管，而普通Si肖特基二极管不能承受高压要求，因此需采用耐压高的SiC肖特基二极管。

后级逆变器是航空静止变流器的研究重点之一，其效率和功率密度是功率变换器的关键指标。

图2是输入直流电压360V，输出交流电压230V/50Hz，额定输出功率为1000VA的逆变器，采用全Si器件、混合型器件（Si功率管和SiC二极管组合）、全SiC器件三种不同器件组合在不同频率下的效率分布图。

图2 不同器件在不同频率下的效率分布图

由图2可以看出，对于全Si器件，随着开关频率的增加，开关损耗增大很多，效率降低较多。对于较低开关频率23.4kHz下，全Si器件逆变器与全SiC器件逆变器效率相差不大，仅1.8%，但当开关频率提升到100kHz时，效率相差较大，全SiC器件的逆变器效率可比全Si器件的逆变器高8%。

3.2 SiC器件在变压整流器中的应用

在主电源为交流电源的供电系统中，为了向无线电通信、雷达、飞行驾驶设备、控制与保护装置、继电器、信号装置及电动机等直流电设备供电，直流二次电源是必不可少的。

变压整流器是飞机上输出功率较大的变换器，因而，除要求体积重量小之外，必须有很高的效率。变压整流器按整流器中变压器的类型可以分为多脉冲变压整流器（Transformer Rectifier Unit, TRU）和多脉冲自耦变压（Auto Transformer Rectifier Unit, ATRU）。在B787、A380中已大量使用多脉冲整流器。如B787电源系统中实用的多脉冲变压整流器主要用于将交流母线电压整流为28V低压直流输出，供电给直流燃油泵、点火器、飞行甲板显示器等负载装置；而多脉冲自耦变压整流器将交流母线电压整流为270V高压直流输出，供液压电动泵、氮气发电机系统、环控压缩机以及发动机启动等负载装置使用。图3为多脉冲变压整流器结构图。

从图3可以看出，变压整流器包括：将交流电压变换成所需电压的主变压器，以及把交流电能变换成直流电能的整流电路。由于整流电路的主要元件为二极管，其电压应力即为整流桥输入线电压的最大值，对于多脉冲变压整流器而言，一般选用耐压几十伏、电流定额几十到几百安的二极管，因此普通Si二极管可以满足要求；而对于多脉冲自耦变压整流器来说，一般选用耐压600V、电流定额为几十到几百安的快恢复二极管，存在反向恢复问题，且传统的Si二极管不能耐受高温，而采用SiC肖特基二极管几乎没有反向恢复电流，因而可以减小器件的开关损耗，并且SiC肖特基二极管能耐高温，可以减轻散热压力，较为适合航空系统中的高温要求。

3.3 SiC器件在直直变换器中的应用

直直变换器在飞机上应用广泛。恒速恒频电源（CSCF）和变速恒频电源（VSCF）控制器GCU的内部电源采用普通降压式（buck）和升降压式（buck/boost）开关电源，变换器的输入电压为永磁副励磁机整流滤波后的直流电压，输出不同大小且有正负极性的的电压供GCU内不同功能的模板使用。航空电子设备内部电源的输入电压有两种，一种是低压直流电，额定电压为28VDC，另一种是交流电，（单相电压为115VAC，三相为115/200VAC）或高压直流电压为270VDC。输出电压也有两类，低压和高压，后者主要用于通信、雷达、电子对抗设备的发射机和各种阴极射线管显示器，电压达上万伏至数万伏；低压输出有24VDC，±12VDC，±5VDC，+6.3VDC，+3.3VDC等。在输入为低压，输出也为低压的场合，大多采用电源模块。输入为高压，输出为高压或低压的场合，大多采用隔离式直直变换器。

图4为采用SiC-MOSFET的非隔离式buck电路图，在分别采用Si快恢复二极管和SiC 肖特基二极管作为续流管时，对MOSFET和续流二极管的散热器温度进行了测量，结果如图5所示。测量结果反映出采用SiC肖特基二极管作为续流二极管可以使温升更低。这主要是由于SiC肖特基二极管能够大幅度减小系统的损耗，使得MOSFET和续流二极管的温度降低。

图6为谐振正激电路图，在输入电压为270VDC，输出电压为28VDC时，原边主功率管的选取需考虑到最大阻断电压与谐振峰值的关系，假定谐振电压峰值为800V，考虑到安全裕量，就需采用最大阻断电压为1200V的功率管。在此定额下，Si-MOSFET导通电阻较大，Si-IGBT存在电流拖尾问题，限制了开关频率。SiC-MOSFET既具有较小的导通电阻，又能高频工作，较为适合采用。副边整流二极管理论最大电压约为200V，而续流二极管的理论最大电压为85V，因此二者需要采用不同的二极管，整流管选择400V/40A，续流管选择200V/20A。此时，若采用普通Si二极管，其反向恢复时间一般为几十纳秒，这将影响整机效率，使发热增加，若将其换为SiC肖特基二极管，可以使系统温度降低，效率提高。

3.4 SiC器件在电机驱动器中的应用

目前，航空系统中的飞控作动器、油泵电机以及环控系统都需要电机驱动器，这些电机的功率需求日趋增加，但由于航空系统上电池电压的限制，只有提升电流才能输出足够的功率。而大的电流带来了更大的耗散功率和发热量，这就会增加驱动器的体积、重量，无形中就增加了航空设备整个系统的无效载荷，缩短了行程。

SiC肖特基二极管所具有的耐高温、反向恢复电流几乎为零的特性，可极大地提高电机驱动器的性能，减小耗散功率、体积和重量，提高产品的可靠性。

另外当SiC MOSFET制作工艺成熟后，如能替代当前使用的开关功率器件，因其高温性能卓著，还可进一步降低电机驱动器的体积和重量。图7为三相逆变器与电机连接的原理示意图。

表2为用于油水隔离器US06的电机驱动器，对分别采用全Si器件、混合型器件、全SiC器件三种不同器件组合在10 kHz、20kHz两种频率下不同温度时的效率和损耗进行了对比。