碳化硅(SiC)功率器件在航空与航天领域的应用与技术前景

随着飞机、航天和卫星系统对功率转换需求的快速发展，技术趋势正朝着更高功率和电压水平、更小尺寸、更轻重量以及更高效率的转换器方向发展。宽禁带(WBG)半导体，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，在功率转换器中具有许多优势，例如提高功率密度和效率，因此可能非常适合于空间应用。然而，这些WBG器件的抗辐射性能需要被仔细考虑。本文概述了在飞机和空间功率转换领域使用SiC器件的优势和挑战。

 

飞机和空间功率转换器的趋势与需求

 

1.尺寸、重量和功率损失(SWaP)

 

降低SWaP指标(尺寸、重量和功率损失)意味著更低的燃料消耗、更长的续航里程和更大的有效载荷，同时使系统变得更简单、更可靠。以全电动飞机(AEA)为例，电池系统可能是最重的组件。假设一款典型能量密度为250 Wh/kg的电池，仅通过将逆变器效率提高1%，就有可能减少几百公斤的电池重量。此外，逆变器模块本身、被动组件和冷却模块尺寸与重量的减少，还能将更多的飞机或卫星重量用于有效载荷或燃料，从而降低成本并改善续航性能。

 

2.提高功率水平

 

目前，国际空间站等高级航天器的功率水平通常限制在100~150 kW左右。然而，探索性任务(例如月球门户站和计划中的火星任务)需要更高的功率水平。以太阳能电推进(SEP)系统为例，其功率水平从最初的约5 kW已经提高到30 kW，并且预计在未来的一些火星探索任务中将增长到100~300 kW的范围。更高功率的SEP系统能够更快、更轻松地进行轨道转移和机动。同样，在飞机应用中，计划中的“更多电气化飞机”(MEA)中的功率转换器功率范围通常为几十到几百千瓦，而全电动飞机的功率需求可能会上升到兆瓦级别。

 

3.提高母线电压

 

现代飞机中的直流母线电压通常为±270 V。与电动汽车行业推动电压从400 V提升至800 V的趋势类似，航空领域也在推动母线电压向更高的千伏级靠拢，特别是在混合动力推进和全电动飞机系统中。更高电压的一个关键好处是减少电缆损耗。通常，对于相同功率，导体的体积与电压的平方成反比。也就是说，将系统电压从100 V提升到300 V，可以将电缆的重量减少至原来的1/9，从而显著降低系统的总体重量。此外，更高的直流链路电压会降低转换器直流链路电容器的RMS电流需求，从而减少电容器的体积要求。

 

SiC器件在航天和航空领域的应用

 

SiC功率器件已经广泛应用于许多地面功率转换场景，例如电动汽车的牵引逆变器、可再生能源的发电、储能与分配转换器，以及工业电机驱动等。与传统的硅功率器件相比，SiC具有以下显著优势：

 

更容易扩展电压至超过1 kV，并在导通损耗和开关损耗方面表现出显著优越性。对于高电压系统，高效的SiC器件允许用更少的模块替代串联或并联的低电压硅模块，从而简化电路复杂性并提高系统可靠性。

 

能够在更高的频率下开关，允许使用更小的被动组件(例如高频平面磁性元件)，从而提高功率密度。

 

SiC的高导热性以及其在高温下的可靠运行，拓宽了其在恶劣空间环境中的安全操作范围，并简化了冷却需求。

 

SiC功率器件的抗辐射性能

 

抗辐射能力是任何用于航天应用的半导体器件需要考虑的关键因素。这包括可预测的辐射暴露(例如地球周围的范艾伦辐射带)，以及偶发的、不可预测的事件(例如太阳耀斑)。不同的使用场景对抗辐射性能的要求也有所不同。例如，低地球轨道卫星使用寿命较短，因此可以使用辐射容限较低的器件，而地球同步轨道和深空任务由于设计寿命较长，对抗辐射性能的要求更高。

 

以下是一些通常用于功率器件的辐射测试以及CoolCAD Electronics公司SiC器件的测试结果：

 

1.总电离剂量(TID)测试

 

总电离剂量(TID)表示器件暴露于辐射的累积剂量，通常以千拉德(kRad)为单位。在实验室中，通常使用钴60(Co-60)源产生伽马射线来进行此测试。辐射产生的电子-空穴对可能会在氧化物层或氧化物/半导体界面处累积。典型的响应是由于不移动的空穴导致的正电荷积累，从而降低NMOS功率器件的阈值电压(Vth)。SiC较高的电离能量以及在其氧化物上较低的空穴捕获效率使其对TID更加耐受。

图1

 

2.重离子单粒子效应(SEE)

 

重离子辐射对SiC器件的影响更为复杂，可能导致灾难性故障(如单粒子烧毁和单粒子栅极破裂)以及非灾难性故障(如单粒子泄漏电流)。

 

在半导体区域和闸门氧化物中,单事件耗尽(SEB)和单事件闸门断裂(SESR)是灾难性的故障。在SEB的情况下,可以打开寄生的双极器件(源/体/排水管),导致雪崩的增殖和局部高温造成的烧灼。在赛格的情况下,高电场在闸门氧化物是罪魁祸首。在较低的排水偏差下,非灾难性损害表现为单事件泄漏电流(SERC)。

 

SIC器件比硅器件具有更大的电场,因此更容易受到SIC、SER和SEB的影响。2 在低到10%的额定器件电压的偏差下,可发生CEC。灾难性的SEB损害可以发生在低到三分之一的额定设备电压的排放偏差。这种偏置依赖极大地限制了设备的辐射硬安全工作区。例如,商用1200V级电力装置的耗损阈值约为500V级。保守的50%的脱轨意味着最大的安全操作偏差只有250V。美国航天局最近的空间功率和能量存储技术路线图指出,目前最先进的空间辐射强化功率分配组件的限制为200V。3因此,上一节中概述的对更高总线电压的需求为改进这一辐射强化安全区提供了动力。

 

库尔卡德已致力于实现一个目标,以实现重离子允许至少40毫米的 2 至少10毫克/毫克 5 离子/厘米 2 到300伏倾斜水平。图2显示了COLCAD的设备在一个20毫米的小块空间中,在没有灾难性损坏的情况下达到1kV以上 2 10毫克/毫克 5 离子/厘米 2 .在更高的小块,精疲力竭的阈值是略低于1kv。

图2

 

3.中子辐射损害

 

中子可能对电子产品构成最大的威胁,因为它们相对较重,具有很大的捕获截面,并且具有很高的穿透力。失效机理与重离子产生的疲劳效应相似。在硅功率器件中,寄生双极器件被激活。然而,在碳化硅中,碳的存在造成了额外的失效机制。图3(a)显示,较轻的碳原子产生的较大的空间撞击效应,会在较低的排放偏差处造成故障尾巴。通过过程和设计的改变,COLCAD已经在其设备中展示了对这种故障模式的改进。图3(b)显示了这一点,在图3(b)中,带有改进设备的蓝点显示出较低的适合率。由于在750-V倾斜点没有失败,显示的三角形代表失败的上限。

图3

 

4.置换损害

 

在进入粒子(如质子)的晶格原子位移方面,碳化硅的原子键更强,这使它比硅更有优势。碳化硅的位移阈值超过10 12 每平方厘米的质子或中子,比硅高,随粒子流动而增加的泄漏较少。

 

SIC器件显示出良好的TID和位移伤害容忍性。他们的可见光阈值相对较低,需要显著的电压脱轨.当碳化硅动力装置对大气中子表现出极好的失效率时,它们的尾部分布延伸到较低的偏斜。改进SIC电力设备的设备设计和工艺可以改进这些辐射强度指标,从而有可能将其用于未来空间和飞机应用所需的高功率和高电压功率转换模块。