將寬能隙半導體用於航太與衛星應用

寬能隙 (WBG) 半導體在電力轉換方面有幾個優點，例如功率密度和效率更高、以及系統更小更輕 (切換頻率更高，得以使用較小的被動元件)。在非常講求尺寸和重量的航太與衛星電力系統中，這些優點可能更為重要。本文探討在這些應用中使用碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬能隙元件時，相對具有哪些優點。

飛機電力轉換

隨著全球邁向更綠色的未來，人們的注意力集中在如何減少傳統燃油動力飛機的排放量。目前思考的方法有：

• 多電飛機 (MEA)：其目標是以燃料泵等電動驅動元件，取代某些機械或液壓驅動式引擎配件。
• 多電推進 (MEP)：這種方法使用發電機為天然氣渦輪機提供混合協助能力，藉此減少燃料的耗用。
• 全電動飛機 (AEA)：這是一項更遠大的計畫，飛機為全電動式。首先是較小型的飛機，像是直升機、都市空中運輸 (UAM) 車，以及電動垂直起飛和降落機 (VTOL)，例如那些計劃作為空中計程車的飛機。

現代的飛機因功耗較高，必須將氣體渦輪機產生的輸入電壓增加到 230 V_AC。整流器會將此電壓轉換成 ±270 V_DC 的直流鏈電壓，又稱為 HVDC 電壓。接著使用 DC/DC 轉換器產生 28 V 的 LVDC，用以帶動駕駛艙顯示器、DC 燃料泵等設備。某些汽車使用針對 800 V 開發的系統，這種汽車的 EV 充電器將會提高電壓以減少佈線損耗，飛機未來的趨勢也是如此。飛機的 DC 電壓可能會走向 kV 範圍，尤其是混合推進與 AEA 系統。就功率而言，MEA 電力轉換器的範圍可介於 10 至 100 KW 不等，混合推進與 AEA 電力轉換器則必須為幾 MW。

飛機電力電子元件的主要要求與挑戰

• 尺寸、重量與功率損耗 (SWaP)：將 SWaP 指標值壓低非常重要，因為油耗、航程及整體效率與此值有直接的關係。想想全電動飛機的例子。這種飛機的電池系統，是整個發電系統中最重的元件。所需的電池大小取決於逆變器的效率。逆變器效率光是從 98% 提高到 99%，一顆能量密度 250 Wh/kg 之典型電池所需的電池大小，就能減少幾百公斤。逆變器模組的重量功率密度 (kW/kg) 是另一個關鍵指標。同樣，被動元件和轉換器主動元件所需的冷卻系統，也可能很大、很重。
• 在非加壓區域中，安裝在引擎附近的高功率電子元件面臨許多熱量與隔離性挑戰。主動元件需大幅降額來滿足溫度要求，其冷卻需求可能會對整體飛機的冷卻系統造成負擔。在高海拔地點，較低的電場可能會發生部分放電，因此半導體和模組封裝以及隔離元件必須有足夠的餘裕。要確保能承受宇宙輻射，也可能需大幅降低主動元件的額定電壓。
• 資格與可靠性標準：DO-160 是在不同環境中測試航空電子硬體的測試規則。現今通過此標準的商用現貨 (COTS) 元件少之又少，因此 OEM 和飛機製造商嘗試為其取得使用資格和確保使用性。

在航太和衛星中使用寬能隙 (WBG) 功率半導體的優點

比起傳統矽 (Si) 型元件，SiC 和 GaN 等寬能隙材料具有許多優點，如圖 1 所示。

圖 1：比較 Si、SiC 和 GaN 的材料特性。(圖片來源：Researchgate)

這些材料優點為飛機電力電子元件帶來許多好處：

• 熱傳導率較高 (尤其是 SiC)，因此較容易冷卻零件，例如用於控制引擎的零件。
• 系統電壓較高，因此能減少佈線的電阻損耗。SiC 特別是如此，現今 SiC 商用元件的電壓最高達到 3.3 kV，並正積極投入研究，以進一步擴大電壓。
• 高溫下更可靠。例如，SiC 中的運作溫度已證實達 +200˚C。
• 傳導和切換損耗較低。較高的能隙能使特定額定電壓下的漂移區變小，因此能改善傳導損耗。此外，較低的寄生電容量能減少切換損耗，切換迴轉率變得更快。
• 較低的寄生電容量也能提高工作頻率。例如，1-5 kV SiC MOSFET 的切換頻率可為數百 kHz，同等拓撲在矽中則為數十 kHz。GaN HEMT (高電子遷移率電晶體) 元件的電壓雖然大多小於 700 V，但為單極性，且優點更多，無逆向復原損耗，並能在此 100 V 範圍內以數 MHz 頻率切換。頻率高的主要優點是能縮小磁性元件的尺寸。

圖 2 比較了 GaN 和矽型 100 kHz 升壓轉換器的效率。

圖 2：矽和 GaN 100 kHz 升壓轉換器的效率比較。(圖片來源：Nexperia)

以上所有優點直接讓 SWaP 指標更低、功率密度升高。例如，當較高額定電壓元件產生較高的直流鏈電壓，會在轉換器直流鏈電容中產生較小的電容 RMS 電流，這能減少尺寸方面的要求。切換頻率較高時，得以使用尺寸較小的高頻率平面磁鐵。在傳統的電力轉換器中，磁性元件可佔總重量 40-50% 之多，使用工作頻率較高的寬能隙主動元件時，該百分比持續降低。從逆變器的重量功率密度來看，矽型氣冷式轉換器的功率約為 10 kW/kg。使用寬能隙時，該指標在許多系統展示中皆超過 25 kW/kg，而當拓撲、直流鏈電壓和切換頻率經過最佳化時，要達到高達 100 kW/kg 的密度，已證實理論上可行。

寬能隙 (WBG) 功率半導體的使用挑戰，及可能的解決方案

然而，上述寬能隙優點也帶來許多挑戰，需予以解決。以下列出幾項挑戰和正在探索的潛在解決方案：

• 功率密度的提高會直接產生更多熱量。高溫會降低電力轉換的效率，也可能影響可靠性，尤其是溫度循環涉及高溫變化的時候。熱機械應力可能會影響電源模組封裝的可靠性，使熱介面材料等均熱片 (例如將主動元件基板連接至散熱片的熱油脂) 變得不穩定並增加熱阻。正在探索的解決方案有：
  • 改善封裝：封裝提供雙面冷卻能力，並搭配銀燒結的直接冷卻式氮化鋁 (DBA) 基板時，可提高散熱效果。其他方法包括以選擇性雷射熔融 (SLM) 的方式，將粉末合金散熱片直接置於 DBA 基板上。
  • 隨著功率需求變多，主動式晶粒也跟著變大，而使用並聯式晶粒達到相同的淨主動區，可能對散熱有利。
• 寬能隙切換轉換速度較快，雖然有助於減少切換損耗，但也增加電磁干擾 (EMI) 的風險。解決方案包括：
  • 分散式濾波器提供更高的效能，並能提供備援。
  • 使用混合式主動-被動濾波器，並利用放大器來提高低頻率，能降低濾波器的淨尺寸且改善效能。
• 隨著額定電壓的增加，功率元件 (R_DS(ON) x A, R_DS(ON) 是導通電阻，A 是主動區) 的比電阻，會因為漂移區本身必須較厚而增加。例如，雖然 1200 V SiC MOSFET 的高溫特有電阻可為 1 mOhm-mm²，但對 6 kV 額定元件來說，則能達到 10 mOhm-mm²。需使用較大的元件或更多並聯式元件，才能滿足 R_DS(ON) 目標，這代表晶粒成本和切換損耗較高，冷卻要求也較多。一些解決方案包括：
• 使用 3 級或多級轉換器拓撲時，能使用額定值比直流鏈電壓更低的元件。這在額定值低於 kV 的 GaN 元件中特別相關，在這種元件裡，串入並出 (SIPO) 配置會將輸入電壓分配給許多元件，因此得以使用。

GaN 和衛星通訊

在輻射處理能力方面，GaN HEMT 元件優於 Si 和 SiC MOSFET：

• 閘極下方的 AlGaN 層，不會像 MOSFET SiO₂ 閘極氧化層那樣收集電荷。因此，增強型 GaN HEMT 的總游離劑量 (TID) 效能獲得大幅改善，運作上據報超過一個 Mrad，Si/SiC 則通常為幾百 krad。
• 使用 GaN HEMT 也能改善二次電子效應 (SEE)。無任何孔洞，因此能徹底減少二次電子干擾 (SEU) 的風險，而 Si 和 SiC (SEGR) 閘極破裂的風險也能降至最低。

在低地球軌道 (LEO) 衛星等方面的許多空間應用中，GaN 型固態功率放大器 (SSPA) 已大幅取代真空管元件，尤其是 C 到 Ku/Ka 的頻段。

結論

用於航太與衛星通訊時，SiC 和 GaN 等寬能隙半導體具有許多優點。隨著技術開發、使用與可靠性標準在地面電力轉換應用方面發展成熟，這種半導體在用於航太與衛星系統時將更令人安心。