Semiconductori cu bandă interzisă largă în aplicații aerospațiale și satelitare

Semiconductorii cu bandă interzisă largă (WBG) aduc mai multe avantaje în conversia de putere, cum ar fi creșterea densității de putere și a eficienței, reducând în același timp dimensiunea și greutatea sistemului prin comutarea la frecvențe mai mari, ceea ce permite utilizarea unor componente pasive mai mici. Aceste avantaje pot fi și mai importante în sistemele de alimentare din domeniul aerospațial și al sateliților, unde dimensiunea și greutatea sunt extrem de importante. În acest articol, analizăm avantajele relative ale componentelor WBG, cum ar fi carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN) în aceste aplicații.

Conversia de putere în aeronave

Pe măsură ce lumea se îndreaptă spre un viitor mai ecologic, atenția s-a concentrat asupra metodelor de reducere a emisiilor de la aeronavele tradiționale cu motor pe gaz. Unele dintre abordările avute în vedere sunt:

• Aeronave mai electrice (MEA): scopul este de a înlocui unele dintre accesoriile motorului care sunt acționate mecanic sau hidraulic cu componente acționate electric (de exemplu, pompele de combustibil).
• Propulsie mai electrică (MEP): în acest caz, generatoarele electrice sunt utilizate pentru a oferi o asistență hibridă turbinei cu gaz, reducând astfel consumul de combustibil.
• Aeronave complet electrice (AEA): un plan mai ambițios, în care aeronava este complet electrică. Acest lucru ar începe cu aeronave mai mici, cum ar fi elicopterele, vehiculele de mobilitate aeriană urbană (UAM) și avioanele cu decolare și aterizare verticală (VTOL), cum ar fi cele planificate pentru a fi utilizate ca taxiuri aeriene.

În cazul aeronavelor moderne, consumul crescut de energie a necesitat o creștere a tensiunii de intrare generate de turbina cu gaz la 230 _c.a. Această tensiune este convertită de un redresor într-o tensiune de legătură c.c. de ± 270 V_c.c., cunoscută și sub numele de tensiune HVDC. Convertoarele c.c./c.c. sunt apoi folosite pentru a genera un LVDC la 28 V, care este folosit pentru a asigura funcționarea echipamentelor precum afișajul de la bordul aeronavelor, pompele de combustibil c.c. etc. La fel ca și în cazul încărcătoarelor de vehicule electrice, unde sistemele sunt acum dezvoltate pentru 800 V, tendința în cazul aeronavelor este de a crește tensiunile pentru a reduce pierderile la cablare. În cazul aeronavelor, tensiunea c.c. va fi probabil împinsă spre gama kV, în special în cazul sistemelor de propulsie hibridă și AEA. În ceea ce privește puterea, convertoarele de putere MEA pot fi cuprinse între 10 și 100 KW, în timp ce convertoarele de putere cu propulsie hibridă și AEA trebuie să fie de ordinul a câtorva MW.

Principalele cerințe și provocări pentru electronica de putere în aeronave

• Dimensiune, greutate și pierdere de putere (SWaP): valorile SWaP mai mici sunt esențiale, deoarece consumul de combustibil, autonomia și eficiența generală sunt direct legate de acestea. Luați în considerare exemplul unei AEA. În acest caz, sistemul de baterii este cea mai grea componentă a sistemului de generare a energiei electrice. Dimensiunea necesară a bateriei depinde de eficiența invertorului. Chiar și o îmbunătățire cu 1% a eficienței invertorului, de la 98% la 99%, poate reduce cu câteva sute de kilograme dimensiunea bateriei necesare pentru o baterie tipică cu o densitate de energie de 250 Wh/kg. Densitatea de putere gravimetrică a modulului invertor (kW/kg) este un alt parametru cheie. În mod similar, dimensiunea și greutatea componentelor pasive, precum și sistemul de răcire necesar pentru dispozitivele active ale convertorului pot fi substanțiale.
• Componentele electronice de mare putere instalate în apropierea motorului, în zone nepresurizate, se confruntă cu numeroase provocări legate de căldură și izolare. Dispozitivele active au nevoie de o reducere semnificativă a temperaturii, iar cerințele de răcire ale acestora pot reprezenta o povară pentru întregul sistem de răcire al aeronavei. La altitudine mare, poate apărea descărcare parțială la câmpuri electrice mai mici și, prin urmare, capsularea semiconductorilor și a modulelor, precum și componentele de izolare, trebuie proiectate cu o marjă suficientă. Asigurarea toleranței la expunerea la radiații cosmice poate necesita, de asemenea, o reducere semnificativă a tensiunii pentru dispozitivele active.
• Standarde de calificare și fiabilitate: DO-160 este o normă pentru testarea hardware-ului de avionică în diferite medii. Foarte puține componente din comerț (COTS) sunt certificate în acest sens, ceea ce determină producătorii de echipamente originale și producătorii de aeronave să le califice și să asigure utilizarea lor.

Avantaje în utilizarea semiconductorilor de putere cu bandă interzisă largă (WBG) în industria aerospațială și a sateliților

Materialele WBG, cum ar fi SiC și GaN, oferă multe avantaje față de dispozitivele tradiționale pe bază de siliciu (Si), după cum se arată în Figura 1.

Figura 1: Compararea proprietăților materialelor pentru Si, SiC și GaN. (Sursa imaginii: Researchgate)

Aceste avantaje materiale se traduc în numeroase beneficii în electronica de putere a aeronavelor:

• Conductivitatea termică mai mare, în special în cazul SiC, facilitează răcirea unor piese precum cele utilizate pentru controlul motorului.
• Tensiunea mai mare a sistemului reduce pierderile ohmice în cablare. Acest lucru este valabil în special pentru SiC, unde sunt disponibile dispozitive comerciale de până la 3,3 kV, iar cercetările active vizează extinderea acestei posibilități.
• Fiabilitate îmbunătățită la temperaturi ridicate. De exemplu, s-a demonstrat funcționarea la +200 ˚C în SiC.
• Pierderi mai mici la conducție și la comutare. Banda interzisă mai largă permite o regiune de abatere mai mică la o tensiune nominală specifică, ceea ce duce la îmbunătățirea pierderilor de conducție. În plus, capacitățile parazite mai mici conduc la pierderi de comutare mai mici cu rate de salt de comutare mai rapide.
• Fenomenele parazite mai mici permit, de asemenea, funcționarea la frecvențe mai mari. De exemplu, frecvențele de comutare într-un MOSFET SiC de 1-5 kV pot fi de ordinul a 100 de kHz, în comparație cu cele de zeci de kHz posibile cu topologii echivalente în Si. Dispozitivele GaN HEMT (tranzistor cu mobilitate ridicată a electronilor), deși sunt disponibile în cea mai mare parte în gama de tensiuni <700 V, sunt unipolare și prezintă avantaje suplimentare, neavând pierderi de recuperare inversă și având capacitatea de a comuta la mai mulți MHz în această gamă de 100 de volți. Marele avantaj al frecvențelor mai mari este capacitatea de a micșora dimensiunea magneților.

Figura 2 compară eficiența convertoarelor de amplificare de 100 kHz bazate pe GaN și Si.

Figura 2: Comparație a eficienței între Si și GaN pentru un convertor de amplificare de 100 kHz. (Sursa imaginii: Nexperia)

Toate beneficiile de mai sus conduc direct la o mai bună măsurare SWaP și la densități de putere mai mari. De exemplu, tensiunile mai mari ale legăturii c.c. rezultate din utilizarea unor dispozitive de tensiune mai mare creează un curent RMS de capacitate mai mic în condensatorul de legătură c.c. al convertorului, ceea ce poate reduce cerințele de dimensiune ale acestuia. O frecvență de comutare mai mare permite utilizarea unor magneți planari de înaltă frecvență cu factor de formă mai mic. Într-un convertor de putere tradițional, componentele magnetice pot reprezenta până la 40-50% din greutatea totală, iar odată cu utilizarea dispozitivelor active WBG care funcționează la frecvențe mai mari, acest procent este în scădere. Dacă privim acest aspect din punctul de vedere al densității de putere gravimetrice a unui invertor, convertoarele răcite cu aer pe bază de Si au variat în jurul a 10 kW/kg. Cu ajutorul WBG-urilor, această valoare a depășit 25 kW/kg în multe demonstrații de sistem, iar realizarea unor densități de până la 100 kW/kg este teoretic posibilă cu topologii, tensiuni de legătură c.c. și frecvențe de comutare optimizate.

Provocări în utilizarea semiconductorilor de putere cu bandă interzisă largă (WBG) și soluții potențiale

Cu toate acestea, avantajele de mai sus ale WBG-urilor se traduc prin numeroase provocări care trebuie abordate. Mai jos sunt prezentate unele dintre aceste provocări și posibilele soluții care sunt explorate momentan:

• Densitățile de putere mai mari se traduc în mod direct prin creșterea generării de căldură. Temperaturile ridicate scad eficiența conversiei de energie și pot fi, de asemenea, o problemă de fiabilitate, în special atunci când ciclurile de temperatură implică schimbări de temperatură ridicată. Stresul termomecanic poate avea un impact asupra fiabilității capsulării modulelor de putere, făcând ca distribuitoarele de căldură, cum ar fi materialele de interfață termică (TIM), precum unsoarea termică, care conectează substraturile dispozitivelor active la radiatoare, să devină instabile dar și să le crească rezistența termică. Printre soluțiile explorate se numără:
  • Capsulare îmbunătățită: capsulele care oferă răcire pe două fețe cu substraturi de nitrură de aluminiu (DBA) cu răcire directă și sinterizare cu argint permit o mai bună eliminare a căldurii. Alte abordări includ topirea selectivă cu laser (SLM) a radiatoarelor din aliaj de pulbere direct pe substraturile DBA.
  • Pe măsură ce dimensiunea matriței active crește din cauza cerințelor mai mari de putere, utilizarea matrițelor paralele pentru a obține aceeași suprafață activă netă poate fi avantajoasă pentru răspândirea căldurii.
• Tranzițiile de comutare mai rapide cu WBG, deși sunt bune pentru reducerea pierderilor de comutare, creează un risc mai mare de interferență electromagnetică (EMI). Soluțiile pentru acestea includ:
  • Celulele de filtrare distribuite oferă performanțe îmbunătățite și pot asigura redundanță.
  • Utilizarea filtrelor hibride active-pasive care utilizează amplificatoare pentru a amplifica frecvențele joase poate reduce dimensiunea netă a filtrului și poate îmbunătăți performanța.
• Pe măsură ce tensiunea nominală crește, rezistența specifică a dispozitivului de putere (R_DS(ON) x A, R_DS(ON) fiind rezistența în stare de funcționare și A suprafața activă) crește datorită necesității unei regiuni de abatere mai groase. De exemplu, în timp ce rezistența specifică pentru temperaturi ridicate a unui MOSFET SiC de 1200 V poate fi de 1 mOhm-mm², aceasta poate ajunge la 10 mOhm-mm² pentru un dispozitiv cu o tensiune de 6 kV. Sunt necesare dispozitive mai mari sau mai multe dispozitive în paralel pentru a atinge un obiectiv R_DS(ON), ceea ce înseamnă costuri mai mari ale matriței, mai multe pierderi la comutare și mai multe cerințe de răcire. Unele soluții includ:
• Utilizarea topologiilor de convertoare pe 3 sau mai multe niveluri permite utilizarea unor dispozitive cu o valoare nominală mai mică decât tensiunea de legătură c.c. Acest lucru poate fi deosebit de relevant în cazul dispozitivelor GaN cu tensiune nominală sub kV, unde o configurație SIPO (intrare în serie, ieșire în paralel) distribuie tensiunea de intrare între mai multe dispozitive, permițând astfel utilizarea acestora.

GaN și comunicațiile prin satelit

În ceea ce privește modul în care poate face față radiațiilor, dispozitivul GaN HEMT este mai bun decât ambele MOSFET-uri Si și SiC:

• Stratul de AlGaN de sub electrodul de poartă nu colectează sarcini, așa cum face oxidul de poartă SiO₂ în MOSFET-uri. Drept urmare, performanța dozei totale de ionizare (TID) a HEMT-urilor GaN cu mod de îmbunătățire este îmbunătățită semnificativ, cu rapoarte de funcționare care depășesc un Mrad (megarad), în timp ce în cazul Si/SiC aceasta este de obicei de ordinul sutelor de krazi (kilorazi).
• Efectele electronice secundare (SEE) sunt, de asemenea, îmbunătățite cu GaN HEMT. Lipsa orificiilor reduce la minimum riscul de apariție a unor tulburări electronice secundare (SEU), în timp ce riscul de rupere a porților observate la Si și SiC (SEGR) este, de asemenea, redus la minimum.

Amplificatoarele de putere în stare solidă (SSPA) pe bază de GaN au înlocuit în mare măsură dispozitivele cu tuburi de vid în multe aplicații spațiale, cum ar fi în sateliții de orbită terestră joasă (LEO), în special în benzile de frecvență de la C la Ku/Ka.

Concluzie

Semiconductorii WBG, cum ar fi SiC și GaN, prezintă numeroase avantaje atunci când sunt utilizați în industria aerospațială și în comunicațiile prin satelit. Pe măsură ce standardele de dezvoltare tehnologică, de utilizare și de fiabilitate a acestora se maturizează în aplicațiile de conversie a energiei electrice terestre, va crește încrederea în utilizarea lor și în sistemele aerospațiale și satelitare.