Halvledere med bred båndavstand i konstruksjoner for luft- og romfart og satellitter

Halvledere med bred båndavstand (WBG – Wide Band Gap) gir flere fordeler under strømomforming, for eksempel økt effekttetthet og virkningsgrad, samtidig som systemets størrelse og vekt reduseres med mer høyfrekvent veksling som muliggjør bruk av mindre passive komponenter. Disse fordelene kan være enda viktigere i strømsystemer for luft- og romfart og satellitter, der størrelse og vekt er svært viktig. I artikkelen utforsker vi de relative fordelene til WBG-komponenter som silisiumkarbid (SiC – Silicon Carbide) og galliumnitrid (GaN – Gallium Nitride) for disse bruksområdene.

Strømomforming i luftfartøy

Etter hvert som verden beveger seg mot en grønnere fremtid, fokuseres det mer og mer på metoder for å redusere utslipp fra tradisjonelle bensindrevne fly. Her er noen tilnærminger som tas i betraktning:

• Mer elektrisk luftfartøy (MEA – More Electric Aircraft): Målet her er å erstatte noe av det mekanisk eller hydraulisk drevne motortilbehøret med elektrisk drevne komponenter (f.eks. drivstoffpumpene).
• Mer elektrisk drivverk (MEP – More Electric Propulsion): Her brukes elektriske generatorer til å gi hybridassistanse til gassturbinen, noe som dermed reduserer drivstofforbruket.
• Helelektrisk luftfartøy (AEA – All Electric Aircraft): En mer ambisiøs plan der flyet er fullstendig elektrisk. Dette vil starte med mindre luftfartøy som helikoptre, urbane luftmobilitetsfartøy (UAM – Urban Air Mobility) og fartøy med vertikal take-off og landing (VTOL – Vertical Take-off and Landing), for eksempel de som er planlagt for bruk som flydrosjer.

I moderne luftfartøy har det økte strømforbruket nødvendiggjort en økning i innkommende spenning generert av gassturbinen til 230 V_AC. Denne spenningen konverteres av en likeretter til en DC-link-spenning på ±270 V_DC, også kjent som HVDC-spenningen. DC–DC-omformere brukes deretter til å generere en LVDC ved 28 V, som brukes til å drive utstyr som førerkabindisplayet, DC-brennstoffpumpene, etc. På samme måte som i elbiladere, der det nå utvikles systemer for 800 V, er trenden i luftfartøy nå å skyve spenningene høyere for å redusere tap i kabler. I luftfartøy vil likespenningen sannsynligvis bli presset opp mot kV-området, spesielt i systemer med hybridfremdrift og i AEA-systemer. Når det gjelder effekt, kan MEA-effektomformere variere fra 10 til 100 KW, mens effektomformere for hybridfremdrift og AEA må være i MW-området.

Viktige krav og utfordringer for kraftelektronikk i luftfartøy

• Størrelse, vekt og effekttap (SWaP – Size, Weight and Power-loss): Lavere SWaP-mål er en svært viktig faktor ettersom drivstofforbruk, rekkevidde og generell virkningsgrad er direkte relatert til disse. Se på eksemplet med en AEA. I dette tilfellet er batterisystemet den tyngste komponenten i det elektriske kraftgenereringssystemet. Den nødvendige batteristørrelsen avhenger av inverterens virkningsgrad. Selv en 1 % forbedring i inverterens virkningsgrad, fra 98 % til 99 %, kan redusere batteristørrelsen som kreves for et typisk batteri, som har en energitetthet på 250 Wh/kg, med flere hundre kilogram. Den gravimetriske strømtettheten til invertermodulen (kW/kg) er et annet nøkkeltall. På samme måte kan størrelsen og vekten av passive komponenter, så vel som kjølesystemet som kreves for omformeraktive enheter, være vesentlig.
• Elektronikk med høy effekt installert i nærheten av motoren i ikke-trykksatte områder, står overfor mange utfordringer knyttet til varme og isolasjon. Aktive enheter trenger betydelig struping av temperatur, og kjølekravene til disse kan være en belastning for det generelle kjølesystemet til luftfartøyet. I høye høyder kan delvis utladning forekomme ved lavere elektriske felt, så halvleder- og modulkapslinger, samt isolasjonskomponenter, må derfor konstrueres med tilstrekkelige marginer. Sikring av toleranse mot kosmisk strålingseksponering kan også kreve betydelig spenningsstruping for de aktive enhetene.
• Kvalifikasjons- og pålitelighetsstandarder: DO-160 er en regel for testing av maskinvaren til luft- og romfartselektronikk i forskjellige miljøer. Svært få kommersielle standardkomponenter (COTS –commercial off-the-shelf) er sertifisert for dette, noe som gjør at OEM-er og flyprodusenter velger å gjøre seg kvalifiserte for og sikre bruken av disse.

Fordeler ved bruk av effekthalvledere med bred båndavstand (WBG) i luft- og romfart og satellitter

WBG-materialer, slik som SiC og GaN, gir mange fordeler sammenlignet med tradisjonelle silisiumbaserte enheter, som er vist i figur 1.

Figur 1: Sammenligning av materialegenskaper for Si, SiC og GaN. (Bildekilde: Researchgate)

Disse materialfordelene oversettes til mange fordeler innen kraftelektronikk i luftfartøy:

• Høyere varmeledningsevne, spesielt i SiC, gjør det enklere å kjøle ned deler, for eksempel de som brukes til å styre motoren.
• Høyere systemspenning reduserer ohmske tap i kablingen. Dette gjelder spesielt for SiC, der kommersielle enheter på opptil 3,3 kV er tilgjengelige – med aktiv forskning som tar sikte på å utvide dette ytterligere.
• Forbedret pålitelighet ved høye temperaturer. For eksempel har drift på +200 ˚C i SiC blitt demonstrert.
• Lavere konduktivitet og vekslingstap. Den høyere båndavstanden muliggjør et mindre driftområde ved en gitt spenningsverdi, noe som fører til forbedrede konduksjonstap. I tillegg fører lavere parasittiske kapasitanser til lavere vekslingstap med raskere vekslingssvinghastigheter.
• Lavere parasittstrømmer muliggjør også drift med høyere frekvens. Som et eksempel kan vekslingsfrekvenser i en 1–5 kV SiC MOSFET være opptil flere hundre kilohertz, sammenlignet med opptil flere titalls kilohertz i ekvivalente topologier i Si. GaN HEMT-enheter (transistor med høy elektronmobilitet), som vanligvis er tilgjengelige i et spenningsområde på <700 V, er enpolede og har flere fordeler, slik som ingen sperreforsinkelse og muligheten til å veksle ved flere MHz i dette 100-voltsområdet. Den store fordelen med høyere frekvenser er evnen til å krympe størrelsen på magnetikken.

Figur 2 sammenligner virkningsgraden til GaN- og Si-baserte opptransformeringsomformere på 100 kHz.

Figur 2: Sammenligning av virkningsgrad mellom Si og GaN for en opptransformeringsomformer på 100 kHz. (Bildekilde: Nexperia)

Alle de ovennevnte fordelene fører direkte til bedre SWaP-mål og høyere strømtettheter. For eksempel skaper høyere DC-link-spenninger, fra bruken av spenningsenheter med høyere spenningsklassifisering, en mindre kapasitans-RMS-strøm i omformerens DC-link-kondensator, noe som kan redusere størrelsesbehovet. En høyere vekslingsfrekvens muliggjør bruk av høyfrekvente planarmagneter med mindre formfaktor. I en tradisjonell effektomformer kan de magnetiske komponentene representere så mye som 40–50 % av den totale vekten, og ved å bruke aktive WBG-enheter som fungerer ved høyere frekvenser, reduseres denne prosentandelen. Når man ser på dette i form av den gravimetriske strømtettheten til en inverter, har Si-baserte luftkjølte omformere ligget rundt 10 kW/kg. Ved å bruke WBG har dette målet overskredet 25 kW/kg i mange systemdemonstrasjoner, og oppnåelsen av tettheter så høye som 100 kW/kg har vist seg å være teoretisk mulig med optimaliserte topologier, DC-link-spenninger og vekslingsfrekvenser.

Utfordringer rundt bruken av effekthalvledere med bred båndavstand (WBG), og potensielle løsninger

De ovennevnte fordelene med WBG-er resulterer imidlertid i mange utfordringer som må løses. Nedenfor ser du noen av disse utfordringene og mulige løsninger som for tiden utforskes:

• Høyere strømtettheter resulterer direkte i økt varmeproduksjon. Høye temperaturer reduserer virkningsgraden for strømomforming, og kan også være en pålitelighetsbekymring, spesielt når temperatursyklusen involverer høye temperaturendringer. Termomekanisk stress kan påvirke påliteligheten til strømmodulens kapsling ved å gjøre varmespredere – for eksempel termiske mellomnivåmaterialer (TIM – Thermal Interface Materials) som termisk fett som sammenkobler aktive enhetssubstrater til kjøleribbene – ustabile og øke den termiske motstanden. Her er noen løsninger som for tiden utforskes:
  • Forbedrede kapslinger: Kapslinger som tilbyr dobbeltsidig kjøling med direkte avkjølte aluminiumnitridsubstrater (DBA –directly cooled aluminum nitride) med sølvsintring oppnår bedre varmefjerning. Andre tilnærminger inkluderer selektiv lasersmelting (SLM – Selective Laser Melting) av pulverlegerte kjøleribber direkte på DBA-substratene.
  • Etter hvert som den aktive platestørrelsen øker på grunn av økte strømbehov, kan bruken av parallelle plater for å oppnå samme netto aktive område være fordelaktig for varmespredning.
• De raskere vekslingsovergangene med WBG skaper økt risiko for elektromagnetisk interferens (EMI), men de er nyttige for å redusere vekslingstap. Løsninger for dette omfatter:
  • Distribuerte filterceller gir forbedret ytelse og kan gi redundans.
  • Bruken av hybride aktiv/passiv-filtre som bruker forsterkere til å øke de lave frekvensene kan redusere netto filterstørrelse og forbedre ytelsen.
• Når den nominelle spenningen øker, vil den spesifikke motstanden til strømenheten (der R_DS(ON) x A, R_DS(ON) er ledemotstanden og A det aktive området) øke på grunn av nødvendigheten av et tykkere driftområde. For eksempel, selv om den høye temperaturspesifikke motstanden til en 1200 V SiC MOSFET kan være 1 mOhm-mm², kan den nå 10 mOhm-mm² for en enhet klassifisert for 6 kV. Større enheter eller flere enheter i parallell er nødvendig for å oppfylle et R_DS(ON)-mål, noe som betyr høyere platekostnader, økt vekslingstap og mer kjølebehov. Noen løsninger omfatter:
• Ved å bruke omformertopologier med tre eller flere nivåer, er det mulig å bruke enheter med lavere klassifisering enn DC-link-spenningen. Dette kan være spesielt relevant i GaN-enhetene klassifisert for sub-kV, der en konfigurasjon med serie inn, parallell ut (SIPO – series in, parallel out) distribuerer den innkommende spenningen på tvers av mange enheter, og dermed muliggjør bruken av dem.

GaN og satellittkommunikasjon

Når det kommer til hvor godt den kan håndtere stråling, er GaN HEMT-enheten bedre enn både Si- og SiC-MOSFET-ene:

• AlGaN-laget under gate-elektroden samler ikke ladning på samme måte som SiO₂-gate-oksidet gjør i MOSFET-er. Som et resultat forbedres den totale ioniserende dose-ytelsen (TID – total ionizing dose) til GaN HEMT-er i e-modus (e-mode), med rapporter om drift som overstiger én Mrad (megarad), mens dette i Si/SiC vanligvis ligger rundt hundrevis av krad (kilorad).
• Sekundære elektroneffekter (SEE) forbedres også med GaN HEMT-en. Mangel på hull minimerer risikoen for sekundære elektronforstyrrelser (SEU – secondary electron upsets), samtidig som risikoen for gate-brudd observert på Si og SiC (SEGR) også minimeres.

GaN-baserte faststoffeffektforsterkere (SSPA – Solid State Power Amplifier) har i stor grad erstattet vakuumrørenheter i mange romfartskonstruksjoner, for eksempel i satellitter med lav jordbane (LEO – Low Earth Orbit), spesielt i frekvenser fra C- til Ku/Ka-båndene.

Konklusjon

WBG-halvledere som SiC og GaN har mange fordeler når de brukes i romfart og satellittkommunikasjon. Etter hvert som standardene for teknologiutvikling, bruk og pålitelighet modnes i jordbaserte strømomformingskonstruksjoner, vil dette også resultere i økt tillit ved bruk av denne teknologien i systemer for luft- og romfart og satellitter.