Halvledere med bredt båndgab i rumfarts- og satellitanvendelser

WBG-halvledere (Wide Band Gap) giver flere fordele ved strømkonvertering, f.eks. øget effekttæthed og effektivitet, samtidig med at systemets størrelse og vægt reduceres med højere frekvensomskiftning, der gør det muligt at anvende mindre passive komponenter. Disse fordele kan være endnu vigtigere i rumfarts- og satellitstrømforsyningssystemer, hvor størrelse og vægt er af afgørende betydning. I artiklen undersøger vi de relative fordele ved WBG-komponenter som siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) i disse applikationer.

Energikonvertering i luftfartøjer

Efterhånden som verden bevæger sig mod en grønnere fremtid, har opmærksomheden været rettet mod metoder til at reducere emissionerne fra traditionelle gasdrevne fly. Nogle af de metoder, der overvejes, er:

• Flere elektriske fly (MEA): Målet her er at erstatte nogle af de mekanisk eller hydraulisk drevne motortilbehør med elektrisk drevne komponenter (f.eks. brændstofpumper).
• Mere elektrisk fremdrift (MEP): Her anvendes elektriske generatorer til at yde en hybridassistance til gasturbinen og derved sænke brændstofforbruget.
• All Electric Aircraft (AEA): En mere ambitiøs plan, hvor flyet er helt elektrisk. Dette vil starte med mindre fly som helikoptere, køretøjer til bytrafik (UAM) og VTOL-fly (Vertical Take-off and Landing), som f.eks. fly, der er planlagt til brug som lufttaxier.

I moderne fly har det øgede strømforbrug gjort det nødvendigt at øge den indgående spænding, der genereres fra gasturbinen, til 230_VAC. Denne spænding konverteres af en ensretter til en jævnspænding på ±270 _VDC, også kendt som HVDC-spændingen. DC/DC-konvertere anvendes derefter til at generere en LVDC på 28 V, som bruges til at drive udstyr som f.eks. flyvedækkets display, DC-brændstofpumper osv. Ligesom i EV-opladere til biler, hvor der nu udvikles systemer til 800 V, er tendensen inden for luftfartøjer at øge spændingerne for at reducere tabet af kabler. I fly vil jævnspændingen sandsynligvis blive presset op mod kV-området, især i hybride fremdrifts- og AEA-systemer. Med hensyn til effekt kan MEA-strømkonvertere have en effekt på mellem 10 og 100 KW, mens hybride fremdrifts- og AEA-strømkonvertere skal have en effekt på flere MW.

Vigtige krav og udfordringer for effektelektronik i flyvemaskiner

• Størrelse, vægt og effekttab (SWaP): Lavere SWaP-mål er afgørende, da brændstofforbrug, rækkevidde og generel effektivitet er direkte relateret til dem. Tag et eksempel med en AEA. I dette tilfælde er batterisystemet den tungeste komponent i elproduktionssystemet. Den nødvendige batteristørrelse afhænger af inverterens effektivitet. Selv en forbedring på 1 % af inverterens effektivitet fra 98 % til 99 % kan reducere den nødvendige batteristørrelse for et typisk batteri med en energitæthed på 250 Wh/kg med flere 100 kg. Den gravimetriske effekttæthed af invertermodulet (kW/kg) er en anden vigtig målestok. På samme måde kan størrelsen og vægten af passive komponenter samt det kølesystem, der kræves til konverteraktive enheder, være betydeligt.
• Elektronik med høj effekt, der er installeret tæt på motoren i områder uden tryk, står over for mange udfordringer i forbindelse med varme og isolering. Aktive enheder kræver en betydelig nedjustering af temperaturen, og deres kølebehov kan belaste det samlede kølesystem i flyet. I stor højde kan der forekomme delvis udladning ved lavere elektriske felter, og derfor skal halvleder- og modulemballage samt isoleringskomponenter konstrueres med tilstrækkelig margin. For at sikre tolerance over for udsættelse for kosmisk stråling kan det også være nødvendigt at reducere spændingen for de aktive enheder betydeligt.
• Kvalifikations- og pålidelighedsstandarder: DO-160 er en regel for afprøvning af flyelektronikhardware i forskellige miljøer. Meget få kommercielle standardkomponenter (COTS) er certificeret til dette, hvilket får OEM'er og flyproducenter til at kvalificere og sikre deres anvendelse.

Fordele ved anvendelse af wide bandgap (WBG) effekthalvledere i rumfart og satellitter

WBG-materialer, såsom SiC og GaN, har mange fordele i forhold til traditionelle silicium (Si)-baserede enheder, som vist i figur 1.

Figur 1: Sammenligning af materialeegenskaber for Si, SiC og GaN. (Billedkilde: Researchgate)

Disse materialefordele giver sig udslag i mange fordele i flyenes effektelektronik:

• Den højere varmeledningsevne, især i SiC, gør det lettere at køle dele som dem, der bruges til at styre motoren.
• Højere systemspænding reducerer det ohmske tab i kabler. Dette gælder især for SiC, hvor der findes kommercielle enheder på op til 3,3 kV, og hvor der forskes aktivt i at udvide dette yderligere.
• Forbedret pålidelighed ved høje temperaturer. Der er f.eks. blevet demonstreret drift ved +200˚C i SiC.
• Lavere lednings- og koblingstab. Det højere båndgab giver mulighed for et mindre driftområde ved en given spændingsværdi, hvilket fører til bedre ledningstab. Desuden fører lavere parasitære kapacitanser til lavere koblingstab med hurtigere koblingshastigheder.
• Lavere parasitikker giver også mulighed for drift ved højere frekvenser. Som eksempel kan koblingsfrekvenserne i en 1-5 kV SiC MOSFET være i 100 kHz sammenlignet med de 10 kHz, der er mulige med tilsvarende topologier i Si. GaN HEMT-enheder (high electron mobility transistor), der dog for det meste fås i spændingsområdet <700 V, er unipolære og har yderligere fordele, idet de ikke har tab ved omvendt genopretning og kan skifte ved flere MHz i dette 100-voltsområde. Den store fordel ved højere frekvenser er muligheden for at reducere størrelsen af magnetik.

I figur 2 sammenlignes effektiviteten af GaN- og Si-baserede 100 kHz boost-konvertere.

Figur 2: Sammenligning af effektiviteten mellem Si og GaN for en 100 kHz boost-konverter. (Billedkilde: Nexperia)

Alle ovennævnte fordele fører direkte til bedre SWaP-metoder og højere effekttætheder. F.eks. skaber højere DC-link-spændinger fra brugen af enheder med højere spændingsklassificering en mindre kapacitets RMS-strøm i konverterens DC-link-kondensator, hvilket kan reducere størrelseskravet. En højere koblingsfrekvens gør det muligt at anvende planarmagneter med mindre formfaktor og højfrekvens. I en traditionel strømkonverter kan de magnetiske komponenter udgøre op til 40-50 % af den samlede vægt, og med brugen af aktive WBG-enheder, der arbejder ved højere frekvenser, er denne procentdel faldende. Hvis man ser på dette i form af en inverters gravimetriske effekttæthed, har Si-baserede luftkølede konvertere ligget på omkring 10 kW/kg. Ved brug af WBG'er har denne målestok oversteget 25 kW/kg i mange systemdemonstrationer, og det er vist, at det er teoretisk muligt at opnå tætheder på helt op til 100 kW/kg med optimerede topologier, jævnspændinger og koblingsfrekvenser.

Udfordringer i forbindelse med brugen af effekthalvledere med bred båndgab (WBG) og mulige løsninger

Ovennævnte fordele ved WBG'er medfører dog også mange udfordringer, som skal løses. Nedenfor beskrives nogle af disse udfordringer og mulige løsninger, der i øjeblikket undersøges:

• Højere effekttætheder er direkte ensbetydende med øget varmeudvikling. Høje temperaturer mindsker effektiviteten af strømkonverteringen og kan også være et problem for pålideligheden, især når temperaturcykling indebærer høje temperaturændringer. Termisk-mekanisk stress kan påvirke pålideligheden af emballagen af powermoduler ved at gøre varmefordelere, såsom termiske grænsefladematerialer (TIM) som termisk fedt, der forbinder aktive enhedssubstrater med kølepladerne, ustabile og øge deres termiske modstand. Nogle af de løsninger, der undersøges, omfatter:
  • Forbedret emballage: Pakninger, der tilbyder dobbeltsidekøling med direkte afkølede aluminiumnitrid-substrater (DBA) med sølvsintring, opnår bedre varmeafledning. Andre metoder omfatter selektiv lasersmeltning (SLM) af køleplader af pulverlegeringer direkte på DBA-substraterne.
  • Efterhånden som størrelsen af den aktive matrice øges på grund af øgede energikrav, kan det være en fordel at anvende parallelle matricer for at opnå det samme aktive nettoareal med hensyn til varmespredning.
• De hurtigere switchingovergange med WBG er godt for at reducere switchingtab, men skaber større risiko for elektromagnetisk interferens (EMI). Løsninger til dette omfatter:
  • Distribuerede filterceller giver bedre ydeevne og kan give redundans.
  • Brug af hybride aktive-passive filtre med forstærkere til at forstærke de lave frekvenser kan reducere nettofilterstørrelsen og forbedre ydeevnen.
• Efterhånden som den nominelle spænding øges, øges den specifikke modstand i strømforsyningsenheden (RDS_(ON) x A, hvor RDS_(ON) er modstanden i tændt tilstand og A det aktive område) på grund af nødvendigheden af et tykkere driftområde. Mens den høje temperaturspecifikke modstand for en 1200 V SiC MOSFET kan være 1 ^mOhm-mm2, kan den f.eks. nå op på 10 ^mOhm-mm2 for en 6 kV-klassificeret enhed. Der er behov for større enheder eller flere enheder parallelt for at opfylde et RDS_(ON)-mål, hvilket betyder højere die-omkostninger, flere koblingstab og flere kølekrav. Nogle af løsningerne omfatter:
• Ved brug af 3- eller flerniveaukonvertertopologier kan der anvendes enheder med lavere nominel værdi end DC-forbindelsesspændingen. Dette kan især være relevant i GaN-enheder med en subkV-værdi, hvor en SIPO-konfiguration (series in, parallel out) fordeler den indgående spænding på mange enheder og dermed gør det muligt at bruge dem.

GaN og satellitkommunikation

Med hensyn til, hvor godt GaN HEMT-enheden kan håndtere stråling, er den bedre end både Si- og SiC-MOSFET'er:

• AlGaN-laget under gateelektroden opsamler ikke ladning, som _{SiO2-gateoxid} gør det i MOSFET'er. Som følge heraf er den samlede ioniseringsdosis (TID) for e-mode GaN HEMT'er væsentligt forbedret, med rapporter om drift på over 1 Mrad (megarad), hvorimod den i Si/SiC typisk er på flere hundrede krads (kilorads).
• De sekundære elektroneffekter (SEE) er også forbedret med GaN HEMT. Manglen på huller minimerer risikoen for sekundære elektronforstyrrelser (SEU), mens risikoen for gate brud, som ses på Si og SiC (SEGR), også minimeres.

GaN-baserede Solid State Power Amplifiers (SSPA'er) har stort set erstattet vakuumrørsenheder i mange rumapplikationer, f.eks. i LEO-satellitter (Low Earth Orbit), især i frekvenser fra C- til Ku/Ka-båndene.

Konklusion

WBG-halvledere som SiC og GaN har mange fordele, når de anvendes i rumfart og satellitkommunikation. Efterhånden som deres teknologiske udvikling, anvendelse og pålidelighedsstandarder modnes i jordbaserede strømkonverteringsapplikationer, vil der også blive skabt større tillid til deres anvendelse i rumfarts- og satellitsystemer.