隨著飛機、航天和衛(wèi)星系統(tǒng)對功率轉(zhuǎn)換需求的快速發(fā)展，技術(shù)趨勢正朝著更高功率和電壓水平、更小尺寸、更輕重量以及更高效率的轉(zhuǎn)換器方向發(fā)展。寬禁帶(WBG)半導體，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，在功率轉(zhuǎn)換器中具有許多優(yōu)勢，例如提高功率密度和效率，因此可能非常適合于空間應用。然而，這些WBG器件的抗輻射性能需要被仔細考慮。本文概述了在飛機和空間功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域使用SiC器件的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

飛機和空間功率轉(zhuǎn)換器的趨勢與需求

1.尺寸、重量和功率損失(SWaP)

降低SWaP指標(尺寸、重量和功率損失)意味著更低的燃料消耗、更長的續(xù)航里程和更大的有效載荷，同時使系統(tǒng)變得更簡單、更可靠。以全電動飛機(AEA)為例，電池系統(tǒng)可能是最重的組件。假設一款典型能量密度為250 Wh/kg的電池，僅通過將逆變器效率提高1%，就有可能減少幾百公斤的電池重量。此外，逆變器模塊本身、被動組件和冷卻模塊尺寸與重量的減少，還能將更多的飛機或衛(wèi)星重量用于有效載荷或燃料，從而降低成本并改善續(xù)航性能。

2.提高功率水平

目前，國際空間站等高級航天器的功率水平通常限制在100~150 kW左右。然而，探索性任務(例如月球門戶站和計劃中的火星任務)需要更高的功率水平。以太陽能電推進(SEP)系統(tǒng)為例，其功率水平從最初的約5 kW已經(jīng)提高到30 kW，并且預計在未來的一些火星探索任務中將增長到100~300 kW的范圍。更高功率的SEP系統(tǒng)能夠更快、更輕松地進行軌道轉(zhuǎn)移和機動。同樣，在飛機應用中，計劃中的“更多電氣化飛機”(MEA)中的功率轉(zhuǎn)換器功率范圍通常為幾十到幾百千瓦，而全電動飛機的功率需求可能會上升到兆瓦級別。

3.提高母線電壓

現(xiàn)代飛機中的直流母線電壓通常為±270 V。與電動汽車行業(yè)推動電壓從400 V提升至800 V的趨勢類似，航空領(lǐng)域也在推動母線電壓向更高的千伏級靠攏，特別是在混合動力推進和全電動飛機系統(tǒng)中。更高電壓的一個關(guān)鍵好處是減少電纜損耗。通常，對于相同功率，導體的體積與電壓的平方成反比。也就是說，將系統(tǒng)電壓從100 V提升到300 V，可以將電纜的重量減少至原來的1/9，從而顯著降低系統(tǒng)的總體重量。此外，更高的直流鏈路電壓會降低轉(zhuǎn)換器直流鏈路電容器的RMS電流需求，從而減少電容器的體積要求。

SiC器件在航天和航空領(lǐng)域的應用

SiC功率器件已經(jīng)廣泛應用于許多地面功率轉(zhuǎn)換場景，例如電動汽車的牽引逆變器、可再生能源的發(fā)電、儲能與分配轉(zhuǎn)換器，以及工業(yè)電機驅(qū)動等。與傳統(tǒng)的硅功率器件相比，SiC具有以下顯著優(yōu)勢：

更容易擴展電壓至超過1 kV，并在導通損耗和開關(guān)損耗方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)越性。對于高電壓系統(tǒng)，高效的SiC器件允許用更少的模塊替代串聯(lián)或并聯(lián)的低電壓硅模塊，從而簡化電路復雜性并提高系統(tǒng)可靠性。

能夠在更高的頻率下開關(guān)，允許使用更小的被動組件(例如高頻平面磁性元件)，從而提高功率密度。

SiC的高導熱性以及其在高溫下的可靠運行，拓寬了其在惡劣空間環(huán)境中的安全操作范圍，并簡化了冷卻需求。

SiC功率器件的抗輻射性能

抗輻射能力是任何用于航天應用的半導體器件需要考慮的關(guān)鍵因素。這包括可預測的輻射暴露(例如地球周圍的范艾倫輻射帶)，以及偶發(fā)的、不可預測的事件(例如太陽耀斑)。不同的使用場景對抗輻射性能的要求也有所不同。例如，低地球軌道衛(wèi)星使用壽命較短，因此可以使用輻射容限較低的器件，而地球同步軌道和深空任務由于設計壽命較長，對抗輻射性能的要求更高。

以下是一些通常用于功率器件的輻射測試以及CoolCAD Electronics公司SiC器件的測試結(jié)果：

1.總電離劑量(TID)測試

總電離劑量(TID)表示器件暴露于輻射的累積劑量，通常以千拉德(kRad)為單位。在實驗室中，通常使用鈷60(Co-60)源產(chǎn)生伽馬射線來進行此測試。輻射產(chǎn)生的電子-空穴對可能會在氧化物層或氧化物/半導體界面處累積。典型的響應是由于不移動的空穴導致的正電荷積累，從而降低NMOS功率器件的閾值電壓(Vth)。SiC較高的電離能量以及在其氧化物上較低的空穴捕獲效率使其對TID更加耐受。

2.重離子單粒子效應(SEE)

重離子輻射對SiC器件的影響更為復雜，可能導致災難性故障(如單粒子燒毀和單粒子柵極破裂)以及非災難性故障(如單粒子泄漏電流)。

在半導體區(qū)域和閘門氧化物中,單事件耗盡(SEB)和單事件閘門斷裂(SESR)是災難性的故障。在SEB的情況下,可以打開寄生的雙極器件(源/體/排水管),導致雪崩的增殖和局部高溫造成的燒灼。在賽格的情況下,高電場在閘門氧化物是罪魁禍首。在較低的排水偏差下,非災難性損害表現(xiàn)為單事件泄漏電流(SERC)。

SIC器件比硅器件具有更大的電場,因此更容易受到SIC、SER和SEB的影響。2 在低到10%的額定器件電壓的偏差下,可發(fā)生CEC。災難性的SEB損害可以發(fā)生在低到三分之一的額定設備電壓的排放偏差。這種偏置依賴極大地限制了設備的輻射硬安全工作區(qū)。例如,商用1200V級電力裝置的耗損閾值約為500V級。保守的50%的脫軌意味著最大的安全操作偏差只有250V。美國航天局最近的空間功率和能量存儲技術(shù)路線圖指出,目前最先進的空間輻射強化功率分配組件的限制為200V。3因此,上一節(jié)中概述的對更高總線電壓的需求為改進這一輻射強化安全區(qū)提供了動力。

庫爾卡德已致力于實現(xiàn)一個目標,以實現(xiàn)重離子允許至少40毫米的 2 至少10毫克/毫克 5 離子/厘米 2 到300伏傾斜水平。圖2顯示了COLCAD的設備在一個20毫米的小塊空間中,在沒有災難性損壞的情況下達到1kV以上 2 10毫克/毫克 5 離子/厘米 2 .在更高的小塊,精疲力竭的閾值是略低于1kv。

3.中子輻射損害

中子可能對電子產(chǎn)品構(gòu)成最大的威脅,因為它們相對較重,具有很大的捕獲截面,并且具有很高的穿透力。失效機理與重離子產(chǎn)生的疲勞效應相似。在硅功率器件中,寄生雙極器件被激活。然而,在碳化硅中,碳的存在造成了額外的失效機制。圖3(a)顯示,較輕的碳原子產(chǎn)生的較大的空間撞擊效應,會在較低的排放偏差處造成故障尾巴。通過過程和設計的改變,COLCAD已經(jīng)在其設備中展示了對這種故障模式的改進。圖3(b)顯示了這一點,在圖3(b)中,帶有改進設備的藍點顯示出較低的適合率。由于在750-V傾斜點沒有失敗,顯示的三角形代表失敗的上限。

4.置換損害

在進入粒子(如質(zhì)子)的晶格原子位移方面,碳化硅的原子鍵更強,這使它比硅更有優(yōu)勢。碳化硅的位移閾值超過10 12 每平方厘米的質(zhì)子或中子,比硅高,隨粒子流動而增加的泄漏較少。

SIC器件顯示出良好的TID和位移傷害容忍性。他們的可見光閾值相對較低,需要顯著的電壓脫軌.當碳化硅動力裝置對大氣中子表現(xiàn)出極好的失效率時,它們的尾部分布延伸到較低的偏斜。改進SIC電力設備的設備設計和工藝可以改進這些輻射強度指標,從而有可能將其用于未來空間和飛機應用所需的高功率和高電壓功率轉(zhuǎn)換模塊。