SiC משפר את יעילותה ואמינותה של יישומי איירוספייס

כפי שקורה במגזרים אסטרטגיים אחרים בעולם האלקטרוניקה, תעשיית האירוספייס נעה במהירות לעבר פתרונות כוח קלים, קטנים, בעלי יעילות וצפיפות גבוהה. למען האמת, פרדיגמת הגודל, המשקל, ההספק והעלות החדשה מציבה דרישות קשות ומחמירות למעצבים הנאבקים לעמוד בדרישת השוק ובו בזמן מספקים פתרונות צריכת חשמל ביעילות גבוהה.

מהפכים מסורתיים וממירי DC/DC ו-DC/AC מתגלים כבלתי מתאימים או לא יעילים עבור היישומים הקריטיים והמאתגרים ביותר, כגון לוויינים מהדור האחרון, כלי טיס בלתי מאוישים או מטוסים חשמליים. כדי להתגבר על האתגרים הללו, הגישה למודולי הספק בצפיפות גבוהה מוכיחה את עצמה כפתרון יעיל לספק אמינות וצפיפות הספק גבוהות וגמישות.

הדור השלישי של מוליכים למחצה רחבי פס (WBG) מספק דחיפה חסרת תקדים לתעשיית האירוספייס. סיליקון קרביד מקדם את אספקת כוח האירוספייס לעידן חדש, המאופיין בפתרונות כוח יותר קטנים, יעילים וקלים יותר.

מאפייני SiC

בעוד שתכונות SiC ידועות מאז סוף המאה ה-19, חומר WBG זה בשימוש כמוליך למחצה רק לאחרונה. בהשוואה למכשירי חשמל מסורתיים מבוססי סיליקון, מכשירי SiC MOSFET כוללים שדה חשמלי בעל פירוק גבוה (3-5 MV/cm, כמעט 10× גבוה מזה של סיליקון) ופער פס גבוה בכ-3× מזה של סיליקון (3.26 eV לעומת 1.11 eV). יתרה מכך, הניהול התרמי משופר הודות למוליכות התרמית של SiC, הגבוהה בכמעט 3× מסיליקון (4.9 W/cmK לעומת 1.5 W/cmK), וההתנגדות הספציפית שלו, הנמוכה בהרבה מסיליקון (0.3 mΩ/cmK) ² מול 400 mΩ/cm² עבור מתח פירוק של 1200V בטמפרטורת החדר). התנגדות ההפעלה (R_DS(on)) של התקני כוח SiC זמינים מסחרית יכולה להיות נמוכה עד פי 300 עד 400× מזו של מכשיר שווה ערך מבוסס סיליקון באותו מתח פירוק.

בהשוואה למקביליהם מסיליקון, SiC MOSFETs יכולים לפעול בתדרי מיתוג גבוהים יותר עם פחות הולכה והפסדי הספק, מה שמאפשר רכיבים פסיביים קטנים יותר במערכות חשמל ופתרונות כוח קומפקטיים וקלים יותר. דבר זה מאפשר את החלפת מכשירי ה-IGBT הנוכחיים עם SiC MOSFETs ביישומים בעלי הספק גבוה מוגבלי נפח, כגון אווירונאוטיקה.

יישומי SiC באירוספייס

מעגל דרייב השער עבור SiC MOSFETs דורש מתח כונן שער חיובי גבוה (בערך 20V) ובהתאם ליישום הספציפי, מתח שער “כבוי” שלילי בטווח −2-V עד −6-V (עבור dV/dt חסינות ולהשגת מהירות הכיבוי המהירה ביותר). בשילוב עם קיבולת פלט נמוכה ו-R_DS(on) נמוך, דבר שהופך את התקני SiC לאטרקטיביים עבור מיתוג עיצובים כגון ספקי כוח, ממירים תלת פאזיים, מגברים וממירי מתח (AC/DC ו-DC/DC). השימוש במכשירי SiC מאפשר גם חיסכון משמעותי בעלויות והפחתת גודל החלקים המגנטיים (שנאים ומשרנים) המשמשים ביישומי חשמל רבים באירוספייס.

בתעשיית האירוספייס, הרעיון של יותר מטוסים חשמליים (MEA) הפך לפופולרי מאוד. MEA שואפת לחשמל מערכות עזר למטוסים, שהופעלו בעבר באמצעים מכניים, הידראוליים ופנאומטיים. גישת MEA מביאה יתרונות מרכזיים כגון שיפור היעילות, הפחתת העלויות והגברת האמינות.

כתוצאה מכך, התקני כוח חדשים מתוכננים לעמוד בדרישות ה-MEA, כולל, בעיקר, מערכות מתח AC ו-DC, אשר זקוקות לממירי הספק אלקטרוניים לצורך פעולתן.

מספר פונקציות המרת הספק הנדרשות על ידי מערכת חשמל של MEA מבוצעות על ידי ממירי DC/AC, כגון התנעת מנוע, בקרת משאבות וגנרטורים, מפעילי בקרת טיסה ועוד. כדי לעמוד בדרישות המאתגרות הללו, דרושים ממירי DC/AC בעלי צפיפות הספק גבוהה שיכולים לפעול בתדרי מיתוג גבוהים. יעילות היא גם גורם מפתח, שכן היא מאפשרת לך להפחית הן את הגודל והן את המשקל של הממיר, ולפשט את הניהול התרמי. בשל הפסדי ההולכה והמיתוג המופחתים שלהם, התקני כוח SiC מציעים את עצמם כמועמד בר-קיימא להחליף IGBT ו-MOSFET מבוססי סיליקון בממירי כוח אוויוניים.

מתקדמים לקראת תעופה נקייה ובת קיימא

תעשיית האירוספייס כולה צועדת לעבר יעדי אפס פליטות, מפתחת טכנולוגיות חדשות המסוגלות להפחית את גזי החממה נטו תוך קידום השימוש בדלקים בר-קיימא.

באירופה, קונסורציום Clean Sky, שותפות בין הנציבות האירופית ותעשיית האווירונאוטיקה האירופית, שואפת לפתח טכנולוגיות תחבורה אווירית נקיות יותר המסוגלות להפחית את פליטת CO₂, NOx ורעש. יוזמה דומה ננקטה על ידי האיגוד הבינלאומי לתחבורה אווירית, שאישר באוקטובר האחרון החלטה לתעשיית התחבורה האווירית העולמית להשיג פליטת פחמן אפס נטו עד שנת 2050.

כדי לעמוד בדרישות המאתגרות הללו, יש להחליף בהדרגה מערכות בקרה פנאומטיות והידראוליות במערכות בקרה חשמליות ואלקטרוניות בעלות יעילות גבוהה. יעילות גבוהה יותר היא גורם מפתח להפחתת צריכת הדלק, המשקל והגודל.

מודולי כוח SiC של Microchip

טכנולוגיית Microchip הציגה לאחרונה סדרה של מודולי הספק עם פרופיל AC/DC ו-DC/DC נמוך במשקל נמוך המספקים יעילות גבוהה יותר להמרת הספק באמצעות שימוש ב-SiC.משפחת BL1, BL2 ו-BL3, המסוגלת לספק הספק של 100 ואט עד 20 קילוואט, פותחה בשיתוף פעולה עם קונסורציום Clean Sky האירופי כדי לעמוד בדרישות חדשות, תובעניות ונקיות עבור תעשיית התעופה. זה כולל עמידה בהליך הבדיקה של RTCA DO-160G (“תנאי סביבה ונהלי בדיקה לציוד מוטס, גרסה G”). מכשיר תואם DO-160G יכול לספק פעולה אמינה ומדויקת בכל מצב טיסה.

למודולי הכוח החדשים (איור 1) יש מצע שונה, מה שגורם להפחתה של 40% במשקל ול-10% בעלויות בהשוואה לפתרונות סטנדרטיים המשלבים לוחות בסיס מתכת ודורשים גוף קירור. בנוסף, ניתן להלחים את החבילה בעלת השראות הנמוכה והפרופיל הנמוך ישירות על ה-PCB, להאיץ את הפיתוח ולשיפור האמינות.

בתור טכנולוגיית מודולי הספק עם נמוכי פרופיל ומשקל, המוסמכת הראשונה לתעופה, המשרתת יישומי אירוספייס, המשפחה כוללת שלושה גדלים של מודולי כוח (BL1, BL2 ו-BL3). התצורה הסטנדרטית משלבת טופולוגיות של 1.2 קילו וולט SiC מלא, עם או בלי דיודות גלגל חופשי. המודולים זמינים כיציאות 75-A ו-145-A SiC MOSFETs, 50-A IGBTs ויציאות דיודות מיישר 90-A. זמינים גם פתרונות מבוססי IGBT ומותאמים אישית המכילים מכשירים עם דירוג מתח מ-700V עד 1,700V. בהתאם לגרסה הספציפית, טופולוגיות שונות נתמכות, כגון גשר מלא, גשר א-סימטרי, רגל פאזה, מקור משותף כפול, buck ו-boost.

איור 2 מציג את טופולוגיית רגלי השלב הנתמכת על ידי מודול הספק BL1 (1200V, 79 A, R_{DS(on) 25 mΩ} טיפוסי). ה-MOSFET הספק SiC כולל R_DS(on) נמוך ותדר מיתוג גבוה, בעוד שדיודת SiC Schottky מספקת אפס שחזור אחורה וקדימה והתנהגות מיתוג בלתי תלויה בטמפרטורה.

טופולוגיית הגשר המלא, המוצגת באיור 3, נתמכת הן על ידי מודולי הכוח BL2 והן BL3. מודולים אלה כוללים מתח מקור ניקוז של 1.2 קילו וולט, זרם ניקוז רציף עד 150 A בטמפרטורת הסביבה (עד 300 A של זרם ניקוז פועם), והתנגדות הפעלה של מקור ניקוז נמוכה עד 16 mΩ. ה-SiC MOSFET כולל מקור קלווין לדרייב קל, ודיודות ה-SiC Schottky כוללות גם אפס שחזורים לאחור ולפנים.ההספק המרבי הוא 560 וואט, בעוד שמתח מקור השער המרבי הוא -10 וולט (מצב “כבוי”) ו-24 וולט (“מופעל”).

מבחני כשירות

כל מודולי הכוח BL1, BL2 ו-BL3 עברו מבחני הסמכה שהושלמו על ידי Microchip כדי להוכיח את יכולתם לשרת יישומי אירוספייס ברמת האמינות, הביצועים והיעילות הנדרשת. נוהל בדיקת הקבלה, המבוסס על התנאים המפורטים ב-RTCA DO-160G ובהתאם לתנאי הסביבה של מטוסים אזרחיים, כלל בדיקה פרמטרית בכל טווח המתח, הזרם והטמפרטורה המלא (-55˚C, 25˚C , ו-125˚C), בדיקת פריקה חלקית (מקסימום 10pC @ 1200V AC), hipot (3 קילוואט AC) ובדיקת התנגדות לבידוד (מעל 100 MR @ 500V DC).

הבדיקות הבאות בוצעו על ידי Microchip Technology:

• הטיית שער בטמפרטורות גבוהות. מטרת בדיקה זו, שבוצעה הן ב-V_GS = 20 V ו-V_GS = –8 V, היא לוודא שביצועי המכשיר אינם מושפעים מהטיית שער בטמפרטורה גבוהה. בטמפרטורת צומת של 175˚C, המדידות ה-Vלפני ואחרי 1,000 שעות של מתח הטיית שערים בטמפרטורה גבוהה מציגות שינויים זניחים.
• מחזור טמפרטורה. בדיקה זו נועדה להעריך את עמידות המכשיר לטמפרטורות גבוהות ונמוכות קיצוניות. ניתוח קרני הרנטגן והסריקה-אלקטרון-מיקרוסקופיה, המבוצעים לאחר 1,000 מחזורים (ראה איור 4), אינם מראים גריעה ברמת מפרק הלחמה או מצע המסוגל להפחית את ביצועי המכשיר.
• רעידות וזעזועים. לאחר הצמדת מודולי הכוח ללוח המותקן על מנער רטט, הם נבדקו בשלושה צירים עבור רטט וזעזועים.
• הטיה של מצבי מסוק (CMB). מטרת בדיקה זו היא לוודא את חוסנו של המכשיר כאשר הוא פועל במצב מסוק בטמפרטורה גבוהה. תנאי הבדיקה היו כדלקמן: V_GS = –5 V, תדירות מיתוג = 20 קילו-הרץ, מחזור עבודה = 0.5, T = 150˚C, משך הבדיקה = 1,000 שעות. איור 5 מציג את חלקת הבדיקה של CMB לאחר 1,000 שעות (200 V/div).
• פריקה חלקית. בדיקה זו נועדה לאמת את תקינות הבידוד של ה-DUT והיא חשובה עבור מודולי הספק SiC, הפועלים במתחים גבוהים ובקצבי dV/dt גבוהים.
• סימולציות ומדידות תרמיות. הדמיה תרמית קובעת את ערכי ההתנגדות התרמית והעכבה התרמית של DUT, בעוד שמדידה תרמית מאשרת את צומת ההתנגדות התרמית לגוף קירור שחושב במהלך הסימולציה. המתג הנבדק, שהוכן בעבר עם חבילה שונה (ראה איור 6) הופעל, ומחולל זרם קבוע הפיק עליית טמפרטורת צומת כדי לחשב את ההתנגדות התרמית. תוצאות המדידה אישרו את הסימולציות התרמיות.

כל הבדיקות שבוצעו על ידי Microchip עברו, המדגימות את האמינות של הפרופיל הנמוך, מודולי הספק נמוך ומוכיחים שהטכנולוגיה הזו מתאימה באופן מושלם לשרת יישומי מטוסים מאתגרים יותר ויותר.

---

Credit: Microchip