Polprevodniki s širokim prepovedanim pasom (angl. Wide Band Gap oz. WBG) prinašajo več prednosti pri pretvorbi energije, kot sta povečana energijska gostota in učinkovitost, hkrati pa zmanjšujejo velikost in težo sistema z višjo frekvenco preklapljanja, ki omogoča uporabo manjših pasivnih komponent.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Te prednosti so lahko še pomembnejše v letalskih in satelitskih energijskih sistemih, kjer sta velikost in teža kritičnega pomena. V članku bomo raziskali relativne prednosti komponent WBG, kot sta silicijev karbid (SiC) in galijev nitrid (GaN), v teh aplikacijah.
Pretvorba energije v letalih
Svet se pomika k bolj zeleni prihodnosti, zato usmerjamo pozornost na metode zmanjšanja emisij običajnih zrakoplovov na pogon s klasičnim gorivom. Razmišlja se o naslednjih pristopih:
- Bolj električni zrakoplovi (angl. More Electric Aircraft oz. MEA): Tukaj je cilj zamenjati nekaj mehansko in hidravlično gnanih dodatkov motorja z električno gnanimi komponentami (npr. črpalke za gorivo).
- Bolj električni pogon (angl. More Electric Propulsion oz. MEP): Tukaj se uporabljajo električni generatorji za nudenje hibridne pomoči plinski turbini, s čimer se zmanjša poraba goriva.
- Popolnoma električni zrakoplovi (angl. All Electric Aircraft oz. AEA): Bolj ambiciozen načrt, pri katerem bi bil zrakoplov popolnoma električen. To bi se začelo z manjšimi zrakoplovi, kot so helikopterji, zrakoplovi za urbano zračno mobilnost (angl. Urban Air Mobility oz. UAM) in zrakoplovi za navpično vzletanje in pristajanje (angl. Vertical Take-off and Landing oz. VTOL), kot so zrakoplovi, načrtovani za zračne taksije.
V sodobnih zrakoplovih povečana poraba energije posledično pomeni povišanje vhodne napetosti, ki jo ustvarja plinska turbina, na 230 VAC. To napetost pretvori usmernik v enosmerno napetost vmesnega tokokroga +/–270 VDC, imenovano tudi napetost HVDC. Nato se uporabijo DC-DC pretvorniki za proizvajanje LVDC pri 28 V, ki se uporablja za napajanje opreme, kot je prikazovalnik v pilotski kabini, DC črpalke za gorivo itd. Kot pri polnilnikih za električna vozila, kjer se zdaj razvijajo sistemi za 800 V, je trend pri zrakoplovih, da se napetosti povišajo in s tem zmanjšajo izgube zaradi dolžine kablov.
V zrakoplovih se bo enosmerna napetost najverjetneje pomikala proti območju kV, zlasti pri hibridnih pogonih in sistemih AEA. Kar zadeva energijo, so lahko električni pretvorniki MEA v območju od 10 do 100 kW, pretvorniki s hibridnim pogonom in AEA pa morajo biti v območju več MW.
Ključne zahteve in izzivi za močnostno elektroniko v zrakoplovih:
- Zmanjšanje velikosti, teže in moči (angl. Size, Weight and Power-loss oz. SWaP): Nižje metrike SWaP so ključnega pomena, saj so z njimi neposredno povezani poraba goriva, domet in splošna učinkovitost. Pomislite na primer AEA. V tem primeru je sistem baterije najtežja komponenta sistema proizvodnje električne energije. Potrebna velikost baterije je odvisna od učinkovitosti inverterja. Tudi 1-odstotno izboljšanje učinkovitosti inverterja z 98 % na 99 % lahko zmanjša velikost, potrebno za običajno baterijo z energijsko gostoto 250 Wh/kg, za več 100 kg. Gravimetrijska energijska gostota modula inverterja (kW/kg) je še ena ključna metrika. Podobno so velikost in teža pasivnih komponent, pa tudi hladilni sistem, potreben za pretvornik aktivnih naprav, so lahko zelo veliki.
- Visokoenergetska elektronika, nameščena blizu motorja v območjih, ki niso pod tlakom, je izpostavljena mnogim izzivom, povezanim s toploto in izolacijo. Aktivne naprave potrebujejo veliko znižanje temperature in njihove potrebe po hlajenju lahko obremenijo celotni hladilni sistem zračnega plovila. Pri visoki nadmorski višini, lahko pride pri nižjih električnih poljih do delne razelektritve, zato mora biti ohišje polprevodnika in modula kot tudi izolacija komponent izdelani z zadostno rezervo. Tudi zagotavljanje tolerance na izpostavljenost kozmičnemu sevanju lahko zahteva veliko znižanje napetosti za aktivne naprave.
- Kvalifikacije in standardi zanesljivosti: DO-160 je pravilo za testiranje strojne opreme letalske elektronike v različnih okoljih. Zelo malo komercialnih komponent standardne izvedbe (angl. commercial off-the shelf oz. COTS) je certificiranih za to, iz tega razloga vodilni izvirni izdelovalci opreme (OEM) in proizvajalci zrakoplovov avtorizirajo in preverjajo njihovo uporabo.
Prednosti uporabe močnostnih polprevodnikov s širokim prepovedanim pasom (WBG) v letalstvu in satelitih
Materiali WBG, kot sta SiC in GaN, nudijo veliko prednosti pred običajnimi napravami, ki temeljijo na siliciju (Si), kot je prikazano na sliki 1.
Prednosti teh materialov prinašajo veliko koristi v močnostni elektroniki zračnih plovil:
- Z višjo toplotno prevodnostjo, zlasti v SiC, je lažje hladiti dele, ki se na primer uporabljajo za upravljanje motorja.
- Višja sistemska napetost zmanjša ohmske izgube v kabelskih povezavah. To velja zlasti za SiC, kjer so komercialne naprave na voljo do 3,3 kV, z aktivnimi raziskavami, usmerjenimi v dodatno povečanje te vrednosti.
- Izboljšana zanesljivost pri visokih temperaturah. Pri SiC je bilo na primer prikazano delovanje na 200 °C.
- Manjše izgube pri prevajanju in preklapljanju. Višji prepovedan pas omogoča manjše območje plazenja pri dani nazivni napetosti, s čimer so se izboljšale izgube pri prevajanju. Poleg tega nižje parazitske kapacitivnosti pomenijo nižje izgube pri preklapljanju z višjimi hitrostmi preklapljanja.
- Nižja parazitivnost omogoča tudi delovanje na višji frekvenci. Kot primer: preklopne frekvence pri 1–5 kV SiC MOSFET je lahko več 100 kHz, v primerjavi z več 10 kHz, ki so možno pri ekvivalentnih topologijah pri Si. Naprave GaN HEMT (tranzistor z visoko mobilnostjo elektronov) so sicer v glavnem na voljo v napetostnem območju<700 V, vendar so enopolni in imajo več prednosti brez reverznih izgub in imajo možnost preklapljanja pri več MHz v tem 100-V območju. Velika prednost višjih frekvenc je možnost pomanjšanja velikosti magnetike.
Slika 2 primerja učinkovitost 100-kHz pretvornikov povečanja na osnovi GaN in Si.
Vse naštete prednosti neposredno izboljšujejo metriko SWaP in omogočajo višje energijske gostote. Na primer višje enosmerne napetosti vmesnega tokokroga zaradi uporabe naprav z višjo nazivno napetostjo ustvarjajo RMS tok z manjšo kapacitivnostjo v kondenzatorju pretvornika enosmerne napetosti vmesnega tokokroga, s čimer se zmanjšajo potrebe po velikosti. Višja preklopna frekvenca omogoča uporabo visokofrekvenčnih planarnih magnetov manjše oblike.
V običajnem električnem pretvorniku, lahko magnetne komponente predstavljajo 40–50 % celotne teže, z uporabo WBG aktivnih naprav, ki delujejo pri višjih frekvencah, pa se ta odstotek znižuje. Če na to pogledamo z vidika gravimetrijske energijske gostote inverterja, imajo zračno hlajeni pretvorniki na osnovi Si razpon približno 10 kW/kg. Z uporabo WBG naprav je ta metrika v številnih demonstracijah sistema presegla 25 kW/kg in vse kaže, da je z optimiziranimi topologijami, enosmerne napetosti vmesnega tokokroga in preklopnih frekvenc teoretično možno doseganje gostot vse do 100 kW/kg.
Izzivi pri uporabi močnostnih polprevodnikov s širokim prepovedanim pasom (WBG) in potencialne rešitve
Naštete prednosti WBG naprav pa s seboj vseeno prinesejo številne izzive, ki jih je treba nasloviti. Spodaj je naštetih nekaj teh izzivov kot tudi možne rešitve, ki se jih trenutno raziskuje:
- Višje energijske gostote neposredno pomenijo povečano nastajanje toplote. Visoke temperature zmanjšujejo učinkovitost pretvorbe energije, zlasti ko temperaturni cikli vključujejo visokotemperaturne spremembe. Toplotno-mehanska obremenitev lahko vpliva na zanesljivost ohišja močnostnega modula z izdelavo hladilnih teles, npr. materiali za toplotne vmesnike (TIM), kot je toplotna pasta, ki povezuje aktivne substrate naprave s hladilnimi telesi, da postanejo nestabilni kot tudi poveča njihovo toplotno odpornost. Nekaj rešitev, ki jih preiskujemo:
- Izboljšano ohišje: ohišja, ki imajo dvostransko hlajenje z neposredno hlajenimi substrati iz aluminijevega nitrida (DBA) s sintranjem srebra, dosegajo izboljšano odvajanje toplote.
- Drugi pristopi vključujejo selektivno lasersko taljenje (SLM) toplotnih odvodov iz prašnih zlitin neposredno na DBA substrate.
- Ker se velikost aktivne matrice povečuje zaradi povečanih energijskih potreb, lahko ima uporaba vzporednih matric za doseganje enake neto aktivne površine prednosti za odvajanje toplote.
- Hitrejši prehodi preklapljanja z WBG napravami so sicer dobri za zmanjšanje izgub pri preklapljanju, vendar pa ustvarjajo večje tveganje za elektromagnetne motnje (EMI). Rešitve za to so lahko naslednje:
- Porazdeljene filtrirne celice nudijo izboljšano zmogljivost in zagotovijo redundanco.
- Uporaba hibridnih aktivno-pasivnih filtrov z uporabo ojačevalnikov za ojačenje nizkih frekvenc lahko zmanjša neto velikost filtra in izboljša zmogljivost.
- Z naraščanjem nazivne napetosti se poveča specifična upornost napajalne naprave (RDSON x A, RDSON je upor med delovanjem, A pa je aktivno območje) zaradi potrebe po debelejšem območju plazenja. Medtem ko je na primer lahko upornost, specifična za visoko temperaturo 1200-V SiC naprave MOSFET, 1 mOhm-mm2, lahko doseže 10 mOhm-mm2 za napravo z nazivno napetostjo 6 kV. Za doseganje cilja RDSON so potrebne večje naprave ali več vzporednih naprav, kar pomeni višje stroške za silicijevo rezino, več izgub pri preklapljanju in več potreb po hlajenju. Rešitve so lahko naslednje:
- Uporaba 3-nivojskih ali večnivojskih topologij pretvornika omogoča uporabo naprav z nižjo nazivno vrednostjo od enosmerne napetosti vmesnega tokokroga. To je lahko še posebej relevantno pri GaN napravah z nazivno vrednostjo pod kV, kjer konfiguracija zaporednega vhoda in vzporednega izhoda (SIPO) porazdeli vhodno napetost čez več naprav in s tem omogoči njihovo uporabo.
GaN in satelitske komunikacije
Glede na to, kako odporna je na sevanje, je GaN HEMT naprava boljša od Si in SiC MOSFET naprav:
- V AlGaN plasti pod zaporno elektrodo se naboj ne zbira, kot se dogaja pri zapornem oksidu SiO2 v MOSFET napravah. Posledično je zmogljivost skupne ionizirajoče doze (TID) e-načina GaN HEMT naprav občutno izboljšana, poročila kažejo, da delovanje presega en Mrad (megarad), medtem ko je pri Si/SiC to običajno nekaj sto kiloradov.
- Z GaN HEMT napravo se izboljšajo tudi učinki sekundarnih elektronov (SEE). Manj verzeli zmanjša tveganje motenj sekundarnih elektronov (SEU), obenem pa je zmanjšano tudi tveganje za zlom zapore, ki ga vidimo na Si in SiC (SEGR).
Polprevodniški močnostni ojačevalniki (SSPA) na osnovi GaN so v številnih vesoljskih aplikacijah v veliki meri nadomestili naprave z vakuumskimi cevmi, na primer v satelitih z nizkozemeljsko orbito (LEO), zlasti pri frekvenčnih pasovih od C do Ku/Ka.
Zaključek
WBG polprevodniki, kot sta SiC in GaN, imajo veliko prednosti pri uporabi v letalski in satelitski komunikaciji. Ker tehnološki razvoj, uporaba in standardi zanesljivosti nastajajo v zemeljskih aplikacijah za pretvorbo energije, bo nastalo večje zaupanje tudi za njihovo uporabo v letalskih in satelitskih sistemih.
