Halvledare med brett bandgap i flyg- och satellittillämpningar

Halvledare med brett bandgap (WBG) ger flera fördelar vid effektomvandling, t.ex. ökad effekttäthet och effektivitet, samtidigt som systemets storlek och vikt minskas med högre switchningsfrekvenser som i sin tur gör det möjligt att använda mindre, passiva komponenter. Fördelarna ovan kan vara ännu viktigare i kraftförsörjningssystem inom flygindustrin och för satelliter, där storlek och vikt är högst avgörande. Artikeln undersöker fördelarna med tillämpningar av komponenter med ett brett bandgap, som t.ex. kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN).

Effektomvandling i flygplan

I takt med att världen rör sig mot en grönare framtid har uppmärksamheten riktats mot metoder för att minska utsläppen från traditionella bensindrivna flygplan. Några metoder som övervägs är:

• MEA (More Electric Aircraft): Målet här är att ersätta en del av de mekaniskt eller hydrauliskt drivna motortillbehören med elektriskt drivna komponenter (t.ex. bränslepumpar).
• MEP (More Electric Propulsion): Här används elektriska generatorer för att ge bensinturbinen hybridassistans och därmed sänka bränsleförbrukningen.
• AEA (All Electric Aircraft): En mer ambitiös plan där flygplanet är helt elektriskt. Till en början skulle detta ske med mindre flygplan, t.ex. helikoptrar, UAM-fordon (Urban Air Mobility) och VTOL-plan (Vertical Take-off and Landing), såsom de som planeras att användas som flygtaxi.

I moderna flygplan har den ökade energiförbrukningen gjort det nödvändigt att öka den inkommande inspänning som genereras från bensinturbinen till 230 V_AC. Spänningen omvandlas av en likriktare till en DC-länkspänning på ±270 V_DC, även kallad HVDC-spänning. DC/DC-omvandlare används sedan för att generera en LVDC på 28 V som används för att driva utrustning som cockpitdisplayer, DC-bränslepumpar etc. Utvecklingen inom flygindustrin, att spänningen ökas för att minska förlusterna i kablage, liknar den utveckling som sker av elfordonsladdare där system nu utvecklas för 800 V. I flygplan kommer likspänningen troligen att öka till kV-området, särskilt i hybriddrivsystem och AEA-system. När det gäller effekt kan MEA-effektomvandlare ha ett intervall mellan 10 och 100 kW, medan effektomvandlare för hybriddrivsystem och AEA-effektomvandlare måste ha ett intervall på flera megawatt.

Viktiga krav och utmaningar för kraftelektronik i flygplan

• Storlek, vikt och effektförlust (SWaP): Låga SWaP-värden är viktiga eftersom bränsleförbrukning, räckvidd och den samlade effektiviteten är direkt relaterade till dem. Ta exemplet med ett helt elektriskt flygplan (AEA). I det här fallet är batterisystemet den tyngsta komponenten i elproduktionssystemet. Vilken storlek på batteriet som krävs beror på växelriktarens effektivitet. En förbättring av växelriktarens verkningsgrad med 1 %, från 98 till 99 %, kan minska batteristorleken med flera hundra kilogram för ett batteri med en energitäthet på 250 Wh/kg. Gravimetrisk analys av växelriktarmodulens effekttäthet (kW/kg) är ett annat viktigt mått. På samma sätt kan de passiva komponenternas storlek och vikt, likväl som det kylsystem som krävs för omvandlarens aktiva enheter, vara betydande.
• Kraftelektronik som installeras nära motorn i icke trycksatta utrymmen står inför många utmaningar relaterade till värme och isolering. Aktiva enheter behöver en betydande nedstämpling på grund av temperaturen och deras kylbehov kan belasta flygplanets övergripande kylsystem. På hög höjd kan partiell urladdning uppstå i små elektriska fält och därför måste halvledar- och modulkapslingar liksom isoleringskomponenter utformas med acceptabel marginal. För att säkerställa tolerans mot exponering för kosmisk strålning kan det även krävas en betydande nedstämpling av spänningen för de aktiva enheterna.
• Godkännanden och tillförlitlighetsstandarder: DO-160 är en norm för testning av flygelektronisk hårdvara i olika miljöer. Mycket få kommersiella standardkomponenter (COTS) är certifierade för detta vilket gör att OEM- och flygplanstillverkare måste godkänna och garantera användningen av dem.

Fördelar med användningen av halvledare med brett bandgap inom flyg- och satellitindustri.

Materialet till halvledare med brett bandgap, som t.ex. kiselkarbid och galliumnitrid, har många fördelar jämfört med traditionella kisel-baserade enheter (se figur 1).

Figur 1: Jämförelse av materialegenskaper för kisel, kiselkarbid och galliumnitrid (Bildkälla: Researchgate)

Egenskaperna hos dessa material innebär många fördelar för kraftelektronik i flygplan:

• Högre värmeledningsförmåga, särskilt med kiselkarbid, gör det lättare att kyla delar som t.ex. de som används för att styra motorn.
• Högre systemspänning minskar de resistiva förlusterna i kablaget. Detta gäller särskilt för kiselkarbid, där det finns kommersiella enheter på upp till 3,3 kV och med en aktiv forskning som syftar till att utöka detta ytterligare.
• Förbättrad tillförlitlighet vid höga temperaturer. Det har visats att det går att arbeta vid +200˚C med kiselkarbid.
• Lägre lednings- och switchningsförluster. Det högre bandgapet möjliggör mindre avdriftsområden vid en given spänning, vilket leder till minskade ledningsförluster. Dessutom leder lägre parasitära kapacitanser till lägre switchningsförluster med snabbare stig-/falltider vid switchning.
• Lägre parasitära kapacitanser gör det även möjligt att arbeta vid högre frekvenser. Som exempel kan switchningsfrekvenserna i en 1-5 kV MOSFET av kiselkarbid vara 100-tals kHz, jämfört med 10-tals kHz som är möjliga med motsvarande topologier i kisel. HEMT-enheter (high electron mobility transistor) med galliumnitrid, även om de oftast återfinns i spänningsområdet <700 V, är enpoliga och har ytterligare fördelar som t.ex inga förluster i omvänd återställning och förmågan att switcha vid flera MHz i detta 100 V-intervall. Den stora fördelen med högre frekvenser är möjligheten att minska storleken på magnetiska komponenter.

I figur 2 jämförs verkningsgraden hos galliumnitrid- och kiselbaserade 100 kHz boost-omvandlare.

Figur 2: Jämförelse av verkningsgraden mellan kisel och galliumnitrid för en boost-omvandlare på 100 kHz. (Bildkälla: Nexperia)

Alla fördelar ovan leder direkt till bättre SWaP-värden och högre effekttäthet. Högre DC-länkspänningar från spänningsenheter med högre klassificering skapar, exempelvis, en RMS-ström med mindre kapacitans i omvandlarens DC-länkkondensator, vilket kan minska dess storlekskrav. En högre switchningsfrekvens gör det möjligt att använda plana magneter i mindre format och med hög frekvens. I en traditionell effektomvandlare kan de magnetiska komponenterna utgöra så mycket som 40-50 % av den totala vikten och med användningen av aktiva enheter med brett bandgap på högre frekvenser minskar denna andel. Om man tittar på detta i termer av gravimetrisk effekttäthet för en växelriktare så har kiselbaserade, luftkylda, växelriktare legat runt 10 kW/kg. Med hjälp av breda bandgap har detta mått överskridit 25 kW/kg i många systemdemonstrationer och det har visat sig att det är teoretiskt möjligt att uppnå tätheter på så mycket som 100 kW/kg med optimerade topologier, DC-länkspänningar och switchningsfrekvenser.

Utmaningar med användning av effekthalvledare med brett bandgap, och möjliga lösningar.

Fördelarna ovan med brett bandgap innebär dock att det finns många utmaningar som behöver hanteras. Nedan beskrivs några av dessa utmaningar och de möjliga lösningar som för närvarande undersöks:

• Högre effekttäthet innebär en direkt ökad värmeutveckling. Höga temperaturer minskar verkningsgraden i effektomvandlingen och kan också vara ett problem när det gäller tillförlitligheten, särskilt när det i perioder innebär höga temperaturförändringar. Termisk-mekaniska påfrestningar kan påverka tillförlitligheten hos effektmoduler genom att värmespridare, som t.ex. termiska gränssnittsmaterial (TIM) som t.ex. termiskt fett som förbinder aktiva enheters substrat med kylflänsar, blir instabila samt ökar sin termiska resistans. Några av lösningarna som undersöks är:
  • Förbättrad kapsling: Kapslingar med dubbelsidig kylning och med direktkylda susbstrat av aluminiumnitrid (DBA) med silversintring ger bättre värmeavledning. Andra metoder är selektiv lasersmältning (SLM) av kylflänsar med pulverlegering direkt på DBA-substratet.
  • Eftersom den aktiva kretsstorleken ökar på grund av ökade effektkrav kan det vara fördelaktigt att använda parallella kretsar för att uppnå samma aktiva nettoarea när det gäller värmespridning.
• De snabbare switchningsövergångarna vid brett bandgap är visserligen bra för att minska switchningsförlusterna, men de skapar en större risk för elektromagnetiska störningar (EMI). Lösningar för detta är bl.a.:
  • Distribuerade filterceller som ger bättre prestanda och kan ge redundans.
  • Användning av hybridfilter med aktiva/passiva filter som använder förstärkare för att förstärka de låga frekvenserna kan minska filtrens nettostorlek och förbättra prestandan.
• När den nominella spänningen ökar, ökar strömförsörjningens specifika resistans (R_DS(ON) x A, där R_DS(ON) är tillkopplad resistans och A den aktiva ytan) på grund av behovet av ett tjockare driftområde. Även om den höga temperaturspecifika resistansen för en 1200 V MOSFET med kiselkarbid kan vara 1 mOhm-mm², kan den, exempelvis, nå 10 mOhm-mm² för en enhet som är klassificerad för 6 kV. Större enheter eller fler parallella enheter behövs för att uppnå målet R_DS(ON), vilket innebär högre kostnader för kretsar, fler switchningsförluster och större kylbehov. Några av lösningarna är:
• Genom att använda topologier från tre eller flera omvandlare på flera nivåer kan man använda enheter med lägre klassificering än DC-länkspänningen. Detta kan vara särskilt relevant för galliumnitridenheterna med lägre kV-klassificering, där en SIPO-konfiguration (seriell in, parallell ut) fördelar den inkommande spänningen över många enheter, vilket därmed möjliggör användning av dem.

Galliumnitrid och satellitkommunikation

När det gäller hur väl HEMT-enheten av gallumnitrid hanterar strålning är den bättre än MOSFET med kisel och MOSFET med kiselkarbid:

• Skiktet av alumniumgalliumnitrid under grindelektroden samlar inte upp laddning på samma sätt som kiseldioxid SiO₂ gör i MOSFET-enheter. Som ett resultat av detta har den totala joniseringsdosen (TID) för e-mode HEMT av galliumnitrid förbättrats avsevärt, med rapporter om drift som överstiger 1 megarad (Mrd), medan den i kisel/kiselkarbid vanligtvis ligger på hundratals kilorad (krd).
• De sekundära elektroneffekterna (SEE) förbättras också med HEMT av galliumnitrid. Bristen på hål minimerar risken för sekundära elektrostörningar (SEU), samtidigt som risken för grindgenomslag som ses på kisel och kiselkarbid (SEGR) också minimeras.

Galliumnitridbaserade SSP-förstärkare (solid state power amplifiers) har till stor del ersatt enheter med vakuumrör i många rymdtillämpningar, t.ex. i LEO-satelliter (Low Earth Orbit), särskilt i frekvenser från C-bandet till Ku/Ka-banden.

Sammanfattning

Halvledare med brett bandgap av kiselkarbid och galliumnitrid har många fördelar när de används inom flyg- och satellitkommunikation. I takt med att deras tekniska utveckling, användning och tillförlitlighetsstandarder mognar i jordbundna effektomvandlingstillämpningar kommer större förtroende att byggas upp för deras användning i flyg- och satellitsystem.