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鄒小姐：13326633089 -
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乘著新能源車銷量暴漲的東風(fēng)，極具潛力和市場空間的第三代半導(dǎo)體材料碳化硅當(dāng)下已成為半導(dǎo)體界的“當(dāng)紅炸子雞”，采用碳化硅功率器件可助力新能源汽車提升加速度、降低系統(tǒng)成本、增加續(xù)航里程以及實現(xiàn)輕量化等。但其實碳化硅的優(yōu)越性能使其在更多尖端領(lǐng)域有著迫切的需求。隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，作為航天器的重要組成部分——供配電系統(tǒng)和二次電源的發(fā)展面臨兩方面的挑戰(zhàn)，一方面是小型化和輕量化，另一方面是大功率和超大功率航天器的需求。在超大功率方面，目前硅基功率器件的功率容量和工作頻率已不能滿足設(shè)計要求，限制了宇航電源技術(shù)的發(fā)展，因此SiC功率器件的替代應(yīng)用已勢在必行。
SiC功率器件的優(yōu)勢
電源技術(shù)從線性電源發(fā)展到開關(guān)電源，開創(chuàng)了電源技術(shù)的新時代，實現(xiàn)了電源的高頻化、高效率、小型化，在各個行業(yè)都發(fā)揮著舉足輕重的作用。開關(guān)電源的核心器件是作為功率開關(guān)管的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，目前電源的體積和重量主要受限于磁性器件和電容器的體積，而高頻化電源設(shè)計是有效減小磁性器件和電容器體積的唯一途徑，硅基IGBT器件一般只能工作在20 kHz以下，嚴(yán)重限制了磁性器件和電容器的小體積，因此超大功率電源的體積和重量將變得異常龐大，無法滿足航天器總體要求。同時超大功率二次電源產(chǎn)品都朝著高電壓趨勢發(fā)展，而硅基功率器件的電壓通常較低，也是限制宇航電源技術(shù)發(fā)展的主要因素。
SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，近幾年來得到越來越多的商業(yè)化應(yīng)用，在光伏、風(fēng)電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢。例如電動汽車使用SiC模塊，其體積減小到原來的1/5。以SiC為代表的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件，具有更小的導(dǎo)通電阻、更快的開關(guān)速度和更高的阻斷電壓等優(yōu)越特性，為電源技術(shù)提供了難得的發(fā)展機(jī)遇，采用寬禁帶半導(dǎo)體器件，可以實現(xiàn)更高的變換效率，更高的功率密度，更高的可靠性。
SiC相比Si的巨大優(yōu)勢
SiC功率器件的關(guān)鍵技術(shù)問題
SiC 功率器件雖然具有低導(dǎo)通電阻，高開關(guān)頻率，耐高溫高壓等多個性能優(yōu)勢，但由于宇航領(lǐng)域工作環(huán)境的特殊性，想要廣泛應(yīng)用還需對以下幾點(diǎn)重點(diǎn)研究。
1.封裝技術(shù)
SiC 功率器件具有高開關(guān)頻率和高溫下穩(wěn)定工作的特點(diǎn)同樣也會帶來一些弊端，例如，SiC功率器件對封裝的寄生參數(shù)極為敏感，過快的開關(guān)速度會導(dǎo)致電流和電壓的過沖，而開關(guān)管在工作時存在的寄生電感會加劇這種過沖，最終導(dǎo)致功率變換器濾波部分的復(fù)雜程度加大，以及產(chǎn)生過多的器件損耗、電壓應(yīng)力以及電磁干擾，這些都會降低整機(jī)的可靠性。
SiC器件封裝的挑戰(zhàn)
先進(jìn)的封裝技術(shù)對降低寄生參數(shù)、提高功率模塊的電氣堅固性和可靠性十分重要。有研究者采用一種在SiC模塊中嵌入離散多層陶瓷電容器作為去耦電容的解決方案，這種集成方法顯著地減小了功率器件與去耦電容器之間的距離，從而減少了功率回路寄生參數(shù)，同時可以在高開關(guān)速度下實現(xiàn)干凈的開關(guān)波形，降低電磁干擾，提高效率。
功率器件的封裝結(jié)構(gòu)
2.單粒子性能
SiC功率器件有較強(qiáng)的抗總劑量輻射能力，適用于衛(wèi)星、空間站等太空領(lǐng)域，但目前還存在單粒子性能薄弱的問題。對于地球大氣層以上的空間應(yīng)用，空間環(huán)境中存在各種高能粒子，宇宙輻射會導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件失效，現(xiàn)有的研究表明碳化硅器件存在嚴(yán)重的單粒子?xùn)糯?single event gate rupture, SEGR)和單粒子燒毀(single event burnout, SEB)問題，這阻礙了SiC功率器件在宇航電源領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前國內(nèi)已有多個團(tuán)隊正在進(jìn)行SiC MOSFET的技術(shù)攻關(guān)研究，旨在未來幾年內(nèi)攻克SiC器件的單粒子性能薄弱問題，滿足宇航應(yīng)用條件。
高能宇宙射線
3.可靠、有效的驅(qū)動和保護(hù)電路設(shè)計
SiC功率器件具有低寄生參數(shù)，短路耐受時間段等特點(diǎn)，因此高可靠性且有效的驅(qū)動及保護(hù)電路是充分發(fā)揮SiC功率器件優(yōu)勢的關(guān)鍵，同樣也是宇航供配電系統(tǒng)和二次電源設(shè)計過程中的一個關(guān)鍵部分，驅(qū)動電路和保護(hù)電路設(shè)計的好壞直接影響著電源的性能。
目前關(guān)于SiC功率器件的驅(qū)動和保護(hù)電路幾乎都處于實驗研究階段，尚未有成熟的應(yīng)用，國內(nèi)外多個科研團(tuán)隊正在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究。在解決SiC功率器件的驅(qū)動和保護(hù)電路后，將會實現(xiàn)SiC功率器件在宇航電源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
SiC功率器件在宇航電源領(lǐng)域的應(yīng)用前景
盡管目前SiC功率器件在宇航領(lǐng)域還未能獲得廣泛應(yīng)用，但隨著材料技術(shù)，制作工藝，以及電源模塊封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壓大容量SiC功率器件必將在電源應(yīng)用中開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，在宇航電源的開發(fā)和改造中更是會產(chǎn)生重大影響。
1.電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理單元應(yīng)用
目前，超大功率電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)成為深空探測等空間活動的必備關(guān)鍵技術(shù)，電推進(jìn)系統(tǒng)的超大功率也就是意味著為電推進(jìn)器提供電力支持的電源處理單元(Power Processing Unit, PPU)要能夠?qū)崿F(xiàn)高壓大電流，SiC功率器件的出現(xiàn)使得超大功率PPU的實現(xiàn)不再成為幻想。
美國針對深空探測的超大功率電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了適用于300 V高壓母線的PPU功率變換器設(shè)計，該功率變換器由兩個采用SiC功率器件的7.5 kW全橋變換器并聯(lián)構(gòu)成，經(jīng)測試效率可達(dá)98%。未來的超大功率電推進(jìn)采用耐高壓的SiC功率器件進(jìn)行PPU設(shè)計是必然發(fā)展趨勢，可以大大提高轉(zhuǎn)換效率，減小PPU體積。
電推進(jìn)系統(tǒng)
2.電機(jī)驅(qū)動器
隨著航天器功率的增加，無刷直流電動機(jī)、高功率密度永磁同步電動機(jī)被廣泛用于太陽能電池陣列部署，天線部署以及動量輪控制。由于空間環(huán)境中存在靜電放電和宇宙射線，國際空間站使用的航天器母線的最高電壓為160 V，要增加功率需要增大電流，而大電流會增加散熱，增加熱控制的負(fù)擔(dān)則會大大降低航天器的有效負(fù)載能力。
當(dāng)將SiC功率器件應(yīng)用于航天電機(jī)驅(qū)動器時，由于與Si二極管相比具有較小的反向恢復(fù)電流，因此SiC二極管可以降低開關(guān)損耗。除此之外，從功耗的觀點(diǎn)出發(fā)，可以使用額定電流小的裝置來代替額定電流大的裝置。例如，將額定電流為 200~400 A的Si IGBT模塊替換為電流為120 A的SiC模塊。
永磁同步電動機(jī)
3.高壓功率電子調(diào)節(jié)器
行波管功率放大器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中非常重要的高功放器件，主要由大功率行波管和高壓電子功率調(diào)節(jié)器兩部分組成，其中供電的高壓電子功率調(diào)節(jié)器是行波管功率放大器的主要部分，最高電壓可達(dá)到8kV。
要用Si基器件來實現(xiàn)如此高的電壓輸出需要非常復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而這需要很多數(shù)量的開關(guān)器件和額外的二極管來鉗位電壓。但是，當(dāng)使用SiC功率器件時，可以簡化變換器設(shè)計，減小諧振單元的體積，同時提高效率。
衛(wèi)星行波管功率放大器
總結(jié)
功率開關(guān)器件是推動電源技術(shù)跨越式發(fā)展的基石，在攻克SiC功率器件后，將轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)兆赫茲電源的系列問題，如磁性器件高頻化設(shè)計、磁集成技術(shù)、高頻大功率電源電磁兼容技術(shù)等，由此將帶來電源技術(shù)的突破，真正實現(xiàn)高性能、微型化的新一代宇航電源，帶來宇航電源技術(shù)和產(chǎn)品的全面革新，實現(xiàn)更小的體積和重量、更優(yōu)異的性能、更大的功率和更高的可靠性，從而助力整個航天技術(shù)的發(fā)展。
參考來源：
1.碳化硅功率器件在宇航電源中的研究與應(yīng)用，曹宇翔、張瀟、王少寧、李進(jìn)利（電子設(shè)計工程）；
2.碳化硅功率器件的關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究，葛海波、夏昊天、孫冰冰（科技傳播）；
3.SiC MOSFET研究及應(yīng)用，李新秀（北京交通大學(xué)）。
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