SiC器件在航空二次電源中的應用

引言

眾所周知，飛機在飛行、使用與停放過程中，其周圍的氣候條件變化范圍大且變化速度快，因此，航空電氣設備的工作條件要比地面工業設備復雜，從而對飛機電源系統的要求很高。

二次電源作為電源系統中的重要電能轉換裝置，主要包括：航空靜止變流器、變壓整流器、直直變換器、電機驅動器。航空二次電源工作環境惡劣，對性能、可靠性、重量、體積和能耗等方面都有著極其苛刻的要求。目前，航空二次電源主要由基于Si器件的功率變換裝置構成。但由于Si電力電子器件經過近60年的發展，其性能已接近其理論極限，難以再有大幅度的提升，成為制約航空二次電源進一步提升性能的瓶頸之一。

經研究者的努力，以SiC為代表的寬禁帶半導體材料逐漸展示出及其優異的性能。SiC功率器件耐高溫、抗輻射，具有較高的擊穿電壓和工作頻率，適于在惡劣條件下工作。與傳統Si功率器件相比，SiC功率器件可大大降低功耗。因此，可大幅度降低電力電子裝置體積和重量，提高可靠性，在航空二次電源中具有極其廣闊的應用前景。

2 SiC器件優越性及發展簡況

SiC作為目前最受關注的寬禁帶半導體材料之一，被人們稱為繼Si和GaAs之后的第三代半導體，在電力電子器件制造方面具有廣闊的發展前景。表1為SiC寬禁帶半導體材料與Si材料的電學特性參數的對比。

由表1可以看出：

1) SiC的禁帶寬度大

由于半導體材料的禁帶寬度決定器件的工作溫度，禁帶寬度越大，器件的工作溫度越高。因此，SiC器件的工作溫度可以高達600°C，并具有極好的抗輻射性能。350~500℃下工作的高溫集成電路將在航空設備(渦輪發動機、飛行器的電氣自動化)、核能儀器、衛星、空間探測器、地熱井等眾多方面得到廣泛的應用。

2) SiC的擊穿場強高

SiC的擊穿電場約為2.5MV/cm，這個值大約是Si材料的10倍。這使得SiC功率半導體器件的最高工作電壓比同類的Si器件高得多，如Si肖特基二極管最高阻斷電壓在一兩百伏，而SiC肖特基二極管的阻斷電壓最高已經達到1700V。因此，SiC的高擊穿場強特性使其更容易實現航空系統中對功率半導體器件的耐高壓的要求，譬如可以用SiC制作擊穿電壓很高的pin二極管和IGBT

3) SiC器件的比導通電阻小

功率半導體器件的比導通電阻跟材料擊穿電場的立方成反比，SiC具有比Si材料高一個數量級的擊穿電場，因此SiC器件有更小的比導通電阻。在相同擊穿電壓下，SiC器件的比導通電阻理論值只有Si器件的百分之一。低的比導通電阻會減小損耗，帶來系統效率的提高。

4) SiC的熱導率高

SiC材料比Si材料熱導率高近3倍。SiC材料制作的集成電路可以減小甚至不用散熱系統，可以有效的減輕體積和重量，大大提高系統集成度。并能在高溫和高輻射的環境中改善系統的穩定性和可靠性。這正符合航空二次電源對體積、重量、可靠性等方面的高標準要求。

5) 最大電子飽和速度大

SiC材料的最大電子飽和速度是Si材料的2倍，有更高的電流密度和更快的開關速度，適合于高頻和大功率應用。

基于SiC的電力電子器件阻斷電壓高、工作頻率高、耐高溫工作能力強，同時又具有開關損耗小和比導通電阻低等優勢，采用SiC電力電子器件可以大大降低裝置的功耗、縮小裝置的體積。

目前，歐美、日本等國家在SiC單晶制作方面處于領先地位，多家公司可生產SiC單晶芯片，比如美國的Cree公司、PowerEx公司、Semisouth Laboratories公司、Microsemi公司和IR公司，德國的英飛凌公司，日本的羅姆公司等。目前，盡管產量、成本及可靠性等問題仍對SiC功率器件商品化有所限制，但SiC器件替代Si器件的過程已逐漸開始。早在2011年全球在SiC生產和研發方面投資超過10億美元，未來幾年，SiC功率器件的市場將以每年50%~70%的速度上升，預計在2019年達到80億美元.

由于SiC單晶材料和外延設備的限制，國內在SiC功率器件方面的實驗研究起步較晚。目前研究SiC器件的科研院所主要有西安電子科技大學、西安理工大學、浙江大學、北京交通大學、北京工業大學、電子科技大學、南京航空航天大學、山東大學、南京大學、中國科學院半導體研究所、中電13所、中電46所、中電55所等。據報道，我國天科合達藍光公司進入SiC襯底市場后影響較大，降低了國際市場上SiC襯底的售價，從而推動了SiC功率器件的更快普及。

3 SiC器件在航空二次電源的應用分析

基于SiC功率器件的優勢，以下對其在航空二次電源中的應用進行分析，預估其對整機性能帶來的影響。

3.1 SiC器件在航空靜止變流器中的應用

航空靜止變流器（Aeronautical Static Inverter, ASI）是飛機上的一種二次電源。直流電源為主電源的飛機上，用于向交流用電設備供電；在交流電源為主電源的飛機上作為應急備用電源。ASI是采用功率半導體器件，將低壓28V或高壓270V直流電變換成輸出電壓為115V/200V，36V或26V，頻率為400Hz的單相或三相交流電的一種靜止變流裝置。圖1為典型的正弦脈寬調制兩級式靜止變流器，前級為 DC/DC級，將 270V直流變換為180V直流，并實現電氣隔離，后級為DC/AC級，將180V 直流逆變為115V/400Hz。

前級變換器作為橋式逆變器的直流輸入環節，其輸入電壓為270V，輸出電壓要達到180V以上并且具有電氣隔離功能。對于雙管正激、推挽、半橋、全橋等DC/DC變換器，半橋、全橋電路相對于雙管正激、推挽電路而言，主開關管承受的電壓應力減小一半，但一般考慮安全裕量，選用耐壓500V左右的功率器件，對于這種電壓等級的器件，普通Si管的導通電阻為1歐左右，而SiC管的導通電阻只有幾十毫歐，其導通損耗理論上只有Si管的百分之一，因此，采用SiC器件使系統效率得到提高；對于副邊整流二極管一般選擇反向恢復時間較短的肖特基二極管，而普通Si肖特基二極管不能承受高壓要求，因此需采用耐壓高的SiC肖特基二極管。

后級逆變器是航空靜止變流器的研究重點之一，其效率和功率密度是功率變換器的關鍵指標。

圖2是輸入直流電壓360V，輸出交流電壓230V/50Hz，額定輸出功率為1000VA的逆變器，采用全Si器件、混合型器件（Si功率管和SiC二極管組合）、全SiC器件三種不同器件組合在不同頻率下的效率分布圖。

圖2 不同器件在不同頻率下的效率分布圖

由圖2可以看出，對于全Si器件，隨著開關頻率的增加，開關損耗增大很多，效率降低較多。對于較低開關頻率23.4kHz下，全Si器件逆變器與全SiC器件逆變器效率相差不大，僅1.8%，但當開關頻率提升到100kHz時，效率相差較大，全SiC器件的逆變器效率可比全Si器件的逆變器高8%。

3.2 SiC器件在變壓整流器中的應用

在主電源為交流電源的供電系統中，為了向無線電通信、雷達、飛行駕駛設備、控制與保護裝置、繼電器、信號裝置及電動機等直流電設備供電，直流二次電源是必不可少的。

變壓整流器是飛機上輸出功率較大的變換器，因而，除要求體積重量小之外，必須有很高的效率。變壓整流器按整流器中變壓器的類型可以分為多脈沖變壓整流器（Transformer Rectifier Unit, TRU）和多脈沖自耦變壓（Auto Transformer Rectifier Unit, ATRU）。在B787、A380中已大量使用多脈沖整流器。如B787電源系統中實用的多脈沖變壓整流器主要用于將交流母線電壓整流為28V低壓直流輸出，供電給直流燃油泵、點火器、飛行甲板顯示器等負載裝置；而多脈沖自耦變壓整流器將交流母線電壓整流為270V高壓直流輸出，供液壓電動泵、氮氣發電機系統、環控壓縮機以及發動機啟動等負載裝置使用。圖3為多脈沖變壓整流器結構圖。

從圖3可以看出，變壓整流器包括：將交流電壓變換成所需電壓的主變壓器，以及把交流電能變換成直流電能的整流電路。由于整流電路的主要元件為二極管，其電壓應力即為整流橋輸入線電壓的最大值，對于多脈沖變壓整流器而言，一般選用耐壓幾十伏、電流定額幾十到幾百安的二極管，因此普通Si二極管可以滿足要求；而對于多脈沖自耦變壓整流器來說，一般選用耐壓600V、電流定額為幾十到幾百安的快恢復二極管，存在反向恢復問題，且傳統的Si二極管不能耐受高溫，而采用SiC肖特基二極管幾乎沒有反向恢復電流，因而可以減小器件的開關損耗，并且SiC肖特基二極管能耐高溫，可以減輕散熱壓力，較為適合航空系統中的高溫要求。

3.3 SiC器件在直直變換器中的應用

直直變換器在飛機上應用廣泛。恒速恒頻電源（CSCF）和變速恒頻電源（VSCF）控制器GCU的內部電源采用普通降壓式（buck）和升降壓式（buck/boost）開關電源，變換器的輸入電壓為永磁副勵磁機整流濾波后的直流電壓，輸出不同大小且有正負極性的的電壓供GCU內不同功能的模板使用。航空電子設備內部電源的輸入電壓有兩種，一種是低壓直流電，額定電壓為28VDC，另一種是交流電，（單相電壓為115VAC，三相為115/200VAC）或高壓直流電壓為270VDC。輸出電壓也有兩類，低壓和高壓，后者主要用于通信、雷達、電子對抗設備的發射機和各種陰極射線管顯示器，電壓達上萬伏至數萬伏；低壓輸出有24VDC，±12VDC，±5VDC，+6.3VDC，+3.3VDC等。在輸入為低壓，輸出也為低壓的場合，大多采用電源模塊。輸入為高壓，輸出為高壓或低壓的場合，大多采用隔離式直直變換器。

圖4為采用SiC-MOSFET的非隔離式buck電路圖，在分別采用Si快恢復二極管和SiC 肖特基二極管作為續流管時，對MOSFET和續流二極管的散熱器溫度進行了測量，結果如圖5所示。測量結果反映出采用SiC肖特基二極管作為續流二極管可以使溫升更低。這主要是由于SiC肖特基二極管能夠大幅度減小系統的損耗，使得MOSFET和續流二極管的溫度降低。

圖6為諧振正激電路圖，在輸入電壓為270VDC，輸出電壓為28VDC時，原邊主功率管的選取需考慮到最大阻斷電壓與諧振峰值的關系，假定諧振電壓峰值為800V，考慮到安全裕量，就需采用最大阻斷電壓為1200V的功率管。在此定額下，Si-MOSFET導通電阻較大，Si-IGBT存在電流拖尾問題，限制了開關頻率。SiC-MOSFET既具有較小的導通電阻，又能高頻工作，較為適合采用。副邊整流二極管理論最大電壓約為200V，而續流二極管的理論最大電壓為85V，因此二者需要采用不同的二極管，整流管選擇400V/40A，續流管選擇200V/20A。此時，若采用普通Si二極管，其反向恢復時間一般為幾十納秒，這將影響整機效率，使發熱增加，若將其換為SiC肖特基二極管，可以使系統溫度降低，效率提高。

3.4 SiC器件在電機驅動器中的應用

目前，航空系統中的飛控作動器、油泵電機以及環控系統都需要電機驅動器，這些電機的功率需求日趨增加，但由于航空系統上電池電壓的限制，只有提升電流才能輸出足夠的功率。而大的電流帶來了更大的耗散功率和發熱量，這就會增加驅動器的體積、重量，無形中就增加了航空設備整個系統的無效載荷，縮短了行程。

SiC肖特基二極管所具有的耐高溫、反向恢復電流幾乎為零的特性，可極大地提高電機驅動器的性能，減小耗散功率、體積和重量，提高產品的可靠性。

另外當SiC MOSFET制作工藝成熟后，如能替代當前使用的開關功率器件，因其高溫性能卓著，還可進一步降低電機驅動器的體積和重量。圖7為三相逆變器與電機連接的原理示意圖。

表2為用于油水隔離器US06的電機驅動器，對分別采用全Si器件、混合型器件、全SiC器件三種不同器件組合在10 kHz、20kHz兩種頻率下不同溫度時的效率和損耗進行了對比。