設計人員正在逐步尋求更有效的解決方案，以減少飛機系統的排放，在控制系統中使用更多的電子設備，包括取代氣動和液壓系統的電子設備，從機載交流發電機到執行器和輔助動力裝置 （APU）。Microchip Technology 與歐盟委員會 （EC） 和工業界的聯合財團 Clean Sky 合作，為航空航天業開發了 BL1、BL2 和 BL3 基于 SiC 的無基座電源模塊。這些模塊可實現更高效、更輕、更緊湊的功率轉換和發動機驅動系統。

Microchip 集成電源解決方案高級經理 Mike Innab 告訴 Power Electronics News，尺寸、重量和成本是航空電源轉換器中最重要的因素。“由于更高效的飛行，更小的尺寸和更輕的重量等同于航空的長期成本效益。” 在競爭激烈的飛機業務中，它們以及初始成本都很重要。商品的長期可靠性和穩健性也很關鍵，”Innab 說。

他聲稱，與許多其他行業一樣，航空業尋求用更小、更輕、維護成本低的機電系統來取代更大、更重、更難以維護的氣動和液壓系統。“機電系統的整體運行成本明顯低于氣動或液壓系統。這些電動飛機現在擁有更多的電力電子設備，因此需要更小、更輕、更高效的電力系統。如前所述，碳化硅半導體實現了這一點，”Innab 解釋說。

碳化硅MOSFET和二極管

為了在 2050 年之前達到 EC 為氣候中和航空設定的排放限制，Microchip 的產品系列旨在通過集成其碳化硅功率半導體，在 AC-DC 和 DC-AC 功率轉換和發電方面提供更高的效率技術。

碳化硅有望為航空航天業提供更輕的組件，從而降低能耗和排放。這種材料有助于在更小、更輕的設備中為給定的電壓和電流額定值提供更高的功率密度。

Innab 強調，SiC 半導體由于其固有的比硅 （Si） 半導體更快的開關能力，可以轉化為更緊湊、更高效的電源系統，同時損耗更低，產生的熱量更少。SiC 的物理特性為大功率電子設備提供了理想的物理結構，從而改善了重量和形狀方面的形狀因數，這對航空至關重要。

“通過減小無源器件的尺寸和減少冷卻需求，更高的開關頻率和更低的熱損失允許更小、更輕的電源轉換系統。功率轉換系統中使用的儲能（電容器）和磁性元件（變壓器和電感器）的尺寸和重量幾乎與開關頻率的增加成正比，因此使用 SiC 可實現的更高開關頻率產生更輕的功率轉換系統，”Innab 說。

此外，Innab 認為 SiC 半導體的較高開關速度還通過最大限度地減少電流和電壓在其極端之間轉換的時間來降低系統中的功耗，這是一種非常有損耗的狀態，因此在這種狀態下的時間越少越少整體功率損失，這也導致系統冷卻需求減少。

“所有這些都轉化為更小、更輕、效率更高、更具成本效益的系統。SiC 對于航空業來說仍然是新事物，其耐用性和預測長期可靠性的能力至關重要。航空業采用新技術的速度通常很慢，因為對任何特定新技術的信心都需要時間來充分發展，”Innab 評論道。

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新的電源模塊具有改進的基板，可節省成本和重量。Microchip 指出，由于不需要金屬基板，該結構在 100W 至 10kW 的功率范圍內比其他結構輕 40%。

Microchip 的 BL1、BL2 和 BL3 器件符合 RTCA DO-160G“機載設備的環境條件和測試程序”G 版（2010 年 8 月）中規定的所有機械和環境合規性指南。該系列包含碳化硅 MOSFET 和肖特基勢壘二極管 （SBD） 以及 IGBT。它們采用扁平、低電感的外形尺寸，連接器直接位于 PCB 上，以縮短開發時間并提高整體系統可靠性。該布局允許它們并聯或以三相橋和其他拓撲連接，以實現更復雜的電源轉換器和逆變器。

“SBD 用于隔離高壓，而 SiC SBD 在更高的電壓下比 Si 更穩健，因為它們是寬帶隙器件。SiC 半導體通常比同類 Si 半導體更小，并且可以在更高的溫度下工作，從而實現更小的尺寸和更可靠的操作，”Innab 說。

這些模塊有 75A 和 145A 碳化硅 MOSFET、50A 作為 IGBT 和 90A 作為整流二極管輸出。在提供 100W 至超過 10 KW 功率的封裝中，BL1、BL2 和 BL3 模塊提供多種拓撲選項，包括相腳、全橋、不對稱橋、升壓、降壓和雙共源。

目前，標準硅器件仍然是電力電子市場的主要部分。新的碳化硅解決方案正在作為一種新的半導體元件出現，以應對不久的將來的高功率挑戰。碳化硅的介電強度是硅的 10 倍，因此可以制造在更高電壓下運行的設備，并滿足航空領域以及充電基礎設施和智能電網的要求。