Microchip 推出用于飞机电气系统的 SiC 功率模块

在减少航空航天系统排放的竞赛中，设计人员越来越多地转向控制系统中更高效的电子设备，包括那些取代气动和液压系统的电子设备——从机载交流发电机到执行器和辅助动力装置。

Microchip Technology 与欧盟委员会联盟成员 Clean Sky 合作，开发了一系列基于 SiC 的用于航空航天应用的电源模块，旨在实现更高效、更紧凑的电源转换和发动机驱动系统。这些模块(称为 BL1、BL2 和 BL3)在专为严苛航空应用而设计的改良基板上混合使用 1200V碳化硅 (SiC) MOSFET 和 1600V 二极管。电源模块也可用于 Trench4Fast 硅 IGBT。

Microchip 的集成电源解决方案高级经理 Mike Innab 指出，尺寸、重量和成本是航空电源转换器的关键驱动因素。“更小的尺寸和更轻的重量通过更高效的飞行转化为航空的长期成本节约。这些以及初始成本在竞争激烈的航空业中至关重要。产品的长期可靠性和稳健性也很关键，”Innab 在接受采访时说。

航空业寻求用更小、维护成本更低的系统来取代大型、重型和高维护的气动和液压系统。“与气动或液压系统相比，机电系统的总体运营成本要低得多，”Innab 说。现代“飞机现在有更多的电力电子设备，这使得对更小、更轻和更高效率的电力系统的需求变得更加必要。碳化硅半导体实现了这一点。”

碳化硅MOSFET和二极管

为了在 2050 年之前达到欧洲监管机构为气候中和航空设定的排放限制，Microchip 的系列旨在通过集成其碳化硅功率半导体技术，在 AC-DC 和 DC-AC 功率转换和发电方面提供更高的效率.

碳化硅承诺重量更轻的组件，以降低能耗和排放。SiC 还在更小、更轻的设备中为给定的电压和电流额定值提供更高的功率密度。

与传统硅相比，SiC 芯片具有更高的开关速度，从而在更小的封装中转化为更高的功率效率。这也转化为更低的损耗和更少的热量产生。这些物理特性适用于更小尺寸的电力电子应用，这是航空的关键要求。

“通过减小无源器件的尺寸和降低冷却需求，更高的开关频率和更低的热损失可以实现更小、更轻的电源转换系统，”Innab 说。“电力转换系统中使用的能量存储 [电容器] 和磁性元件 [变压器和电感器] 在尺寸和重量上 [按比例] 几乎与开关频率的增加成正比，因此更高的可实现开关频率是由于使用 SiC 可产生更小更轻的功率转换系统。”

更高的 SiC 开关速度还通过最小化电流和电压在其极端之间转换时的周期来降低功耗。处于这种有损状态的时间越少，整体功率损耗就越少。该因素还有助于降低系统冷却要求。

“对于航空业来说，SiC 仍然是新事物，其耐用性和预测长期可靠性的能力至关重要，”Innab 补充道。“航空业采用新技术的速度通常很慢，因为对任何特定新技术的信心都需要时间来充分发展。”

Microchip 声称其改进的基板无需金属基板，与在 100W 至 10 kW 范围内运行的现有电力电子设备相比，重量减轻了 40%。

BL1、BL2 和 BL3 设备符合美国联邦航空管理局制定的机械和环境准则。该系列包含碳化硅 MOSFET 和肖特基势垒二极管 (SBD) 以及 IGBT。它们采用扁平、低电感的外形尺寸，连接器直接安装在 PCB 上，以缩短开发时间并提高整体系统可靠性。该布局允许并联或三相桥接，用于更先进的电源转换器和逆变器。

“SBD 用于隔离高压，而 SiC SBD 在更高的电压下比 [silicon] 更稳健，因为它们是宽带隙器件，”Innab 指出。

这些模块有 75A 和 145A 碳化硅 MOSFET、50A 作为 IGBT 和 90A 作为整流二极管输出。BL1、BL2 和 BL3 模块具有多种拓扑选项，包括相脚、全桥、不对称桥、升压、降压和双共源。

虽然电力电子市场仍然依赖于标准硅，但随着电力需求的增长，新的 SiC 设计正在出现。碳化硅的介电强度是硅的 10 倍，使设备能够在更高的电压下运行，满足充电基础设施、智能电网以及最近的航空等目标市场的其他要求。