A SiC javítja a repülési és űreszközök hatásfokát és megbízhatóságát

A nagy értéket képviselő ipari berendezések megbízható működése is jelentős ráfordítást igényel a tervezés során. Ám amint egy berendezést arra terveznek, hogy elhagyja a földfelszínt – akár a világűrig is –, a megbízhatósági követelmények fokozódnak a méret, a tömeg és az energiahatékonyság iránti elvárásokkal együtt. A cikk ennek egy szeletébe, a SiC-alapú teljesítménykapcsolók világába enged bepillantást.

Az elektronika más stratégiai ágazataihoz hasonlóan az egész repülés- és űrtechnikai ipar nagy tempóban halad a pehelykönnyű, nagy hatásfokú és megbízhatóságú, valamint nagy alkatrészsűrűségű teljesítményelektronikai megoldások irányába. Tény, hogy a méret, a súly, a teljesítmény és az ár új értékrendszere kemény és szigorú követelményekkel szembesíti a piaci igények kielégítésével és a nagy hatásfokú teljesítményelektronikai rendszerek előállításával foglalkozó tervezőket.
A hagyományos inverterek, DC/DC és DC/AC átalakítók nem megfelelők és/vagy nem eléggé magas hatásfokúak a legkritikusabb és a legnagyobb kihívásokat támasztó alkalmazásokban, például a legújabb műholdakban, a személyzet nélküli légijárművekben vagy az elektromos hajtású repülőgépekben. Ahhoz, hogy megfelelhessünk ezeknek a kihívásoknak, a nagy alkatrészsűrűségű teljesítményelektronikai modulok megközelítésének hatékony megoldást kell kínálnia a nagy megbízhatóság, teljesítménysűrűség és rugalmasság követelményeire is.
Példátlan fellendülést hozott az egész repülés- és űrtechnológia teljesítményelektronikai megoldásai számára a széles tiltott sávval (Wide BandGap – WGB) rendelkező félvezetők harmadik generációjának megjelenése. A szilíciumkarbid (SiC) alkalmazásával olyan új korszak kezdődött a repülés- és űripari tápellátó rendszerek terén, amelyre a nagyobb hatásfok, kisebb méret és tömeg a jellemző.

A SiC tulajdonságai

Bár a SiC tulajdonságai már a XIX. század vége óta ismertek, a széles tiltott sávval rendelkező félvezetőként való felhasználása viszonylag újkeletű. A hagyományos szilíciumalapú teljesítmény­félvezetőkkel összehasonlítva a SiC MOSFET-eket magas letörési térerősség (3...5 MV/cm, a szilíciuménak majdnem tízszerese) jellemzi, tiltott sávjának szélessége pedig a szilíciuménak háromszorosa (a Si-félvezető 1,11 eV értékével szemben 3,26 eV). Ráadásul a hőtechnikai tulajdonságai is kedvezőbbek a szilíciuménál a háromszor jobb hővezetőképességének köszönhetően (4,9 W/cmK, a Si 1,5 W/cmK értékével szemben). Fajlagos ellenállása sokkal alacsonyabb a szilíciuménál (0,3 mΩ/cm² a Si 400 mΩ/cm² értékével szemben, 1200 V letörési feszültségnél, szobahőmérsékleten). A kereskedelmi forgalomban kapható SiC-teljesítménykapcsolók bekapcsolási ellenállása (R_DS(on)) pedig 300...400-szor alacsonyabb a hasonló szilíciumalapú eszközökénél, azonos letörési feszültség mellett.
A szilíciumalapú megfelelőikkel összehasonlítva a SiC MOSFET-ek nagyobb kapcsolási frekvencián működtethetők, kisebb rezisztív teljesítményveszteséggel. Ráadásul (a nagyobb üzemi frekvencia miatt – A szerk. megj.) kisebb méretű passzív alkatrészekre van szükség a teljesítményelektronikai rendszerekben, amelyek így maguk is kisebbek és könnyebbek lehetnek. Ez viszont a jelenleg alkalmazott IGBT-kapcsolóeszközök helyettesítését teszi lehetővé az olyan méretkorlátos alkalmazásokban, mint a repüléstechnika.

SiC-alkalmazások a repülés- és űrtechnikában

A SiC MOSFET-ek kapuvezérlő áramköreihez nagy (20 V körüli) pozitív kapumeghajtó feszültségre van szükség, továbbá alkalmazástól függően –2…–6 V-os negatív kikapcsoló feszültséget is alkalmaznunk kell (a nagy dV/dt értékű, azaz gyorsan változó, kapcsolófeszültség elleni védekezésként, valamint a leggyorsabb kikapcsolást igénylő alkalmazásoknál). A kis kimeneti kapacitás az alacsony R_DS(on) értékkel együtt az a képesség, amely a SiC-eszközöket vonzóvá teszi az olyan kapcsolóüzemű alkalmazásokban, mint a tápegységek, háromfázisú inverterek, erősítők és AC/DC vagy DC/DC feszültségátalakítók. A SiC-eszközök használatával egyben számottevő költségmegtakarítás is elérhető a mágneses alkatrészek (induktivitások és transzformátorok) méretcsökkentése révén, amely a repülés- és űriparban különösen nagy jelentőségű.
A repülés- és űrtechnikai iparágban egyre népszerűbb a villamos alapú megoldások növekvő részarányával jellemezhető (a hagyományosnál) „elektromosabb” repülőgép (More Electric Aircraft – MEA) koncepciója. A MEA-felépítés arra törekszik, hogy elektromos működtetésű megoldásokat alkalmazzon az olyan fedélzeti rendszerekben, amelyek korábban mechanikus, hidraulikus vagy pneumatikus meghajtásúak voltak. A MEA-megközelítés kulcsfontosságú előnyökkel jár a hatásfok növelése, a költségcsökkentés vagy a megnövelt megbízhatóság szempontjából.
Mindezek következtében új teljesítménykapcsoló eszközök tervezése van folyamatban a MEA követelményeinek kielégítése érdekében, beleértve elsősorban az AC- és DC-alapú energiaellátó rendszereket, amelyek működéséhez teljesítményelektronikai átalakítókra van szükség. A MEA energiarendszereihez szükséges számos energiaátalakító funkciót DC/AC konverterekkel valósítanak meg, mint például a motorindítás, a szivattyúk és generátorok vezérlése, a repülésvezérlő beavatkozószervek stb. kialakításánál. Ezeknek a magas követelményeknek a kielégítéséhez nagy teljesítménysűrűségű és nagy kapcsolási frekvencián működő DC/AC-átalakítók szükségesek. Kulcsfontosságú tényező a hatásfok is, mivel ez teszi lehetővé az átalakító méretének és súlyának csökkentését, valamint egyszerűsíti a hőelvezetést is. A kisebb ohmos és kapcsolási veszteségeik miatt a SiC teljesítményelektronikai eszközök életképes alternatívát kínálnak a repüléstechnikai energiaátalakítókban a szilíciumalapú IGBT-k és MOSFET-ek kiváltására.

Tovább a tiszta és fenntartható repülés felé

Az egész repülési ágazat a nulla szennyezőanyag-kibocsátás távlati célja felé halad azzal, hogy új technológiákat fejleszt a nettó üvegházgáz-kibocsátás mérséklése érdekében, valamint lépéseket tesz a fenntartható forrásból származó folyékony üzemanyagok használatbavétele felé. Európában a Clean Sky Consortium, az Európai Bizottság és az európai légi ipar partnersége azt a célt tűzte ki, hogy tisztább légiközlekedési technológiákat dolgozzon ki a CO₂, az NOx és a zaj emissziójának csökkentésére. Hasonló kezdeményezés indult az IATA (International Air Transport Association – nemzetközi légiközlekedési szervezet) keretében, amely az elmúlt év októberében fogadott el egy tervezetet a nettó karbonsemlegesség megvalósítására 2050-ig.
Ezeknek a komoly kihívást jelentő követelményeknek a kielégítéséhez a pneumatikus és hidraulikus vezérlőrendszereket egyre inkább nagy hatásfokú elektromos és elektronikus vezérlőrendszerekkel kell felváltani. A magasabb hatásfok pedig kulcsfontosságú tényező az üzemanyagfogyasztás, a súly és a méret szempontjából.

A Microchip SiC teljesítménykapcsoló moduljai

A Microchip Technology nemrég vezetett be egy sorozatnyi, kis méretű és súlyú AC/DC- és DC/DC-modult, amelyekkel nagyobb energiaátalakítási hatásfok érhető el az alkalmazott SiC-félvezetők révén. A cég a100 W-tól 20 kW-ig terjedő teljesítménytartományú BL1, BL2 és BL3 modulcsaládot az európai Clean Sky konzorciummal együttműködve dolgozta ki azzal a céllal, hogy a légiközlekedési iparág jobban megfeleljen az új, nagy igényű és „tiszta” követelményeknek. Ezek közt megtalálható az RTCA DO-160G („Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment, version G” – Légi eszközök környezeti követelményei és tesztelési eljárásai, G változat) vizsgálati módszertannak való megfelelés is. Egy DO-160G megfelelőséggel rendelkező eszköz ugyanis alkalmasnak tekinthető arra, hogy bármilyen repülési feltételek között megbízhatóan és pontosan működjön.
Az új teljesítménykapcsoló modulok (1. ábra) módosított alaplemezre vannak építve, amely révén 40% súly- és 10% árcsökkenés mutatható ki a szokásos, fém hordozólemezre épített és hűtőbordát igénylő megoldásokhoz viszonyítva. Ráadásul a kis induktivitású és lapos tokozat közvetlenül a NyÁK-ra forrasztható, amely felgyorsítja a fejlesztési folyamatot és növeli a megbízhatóságot.

1. ábra A lapos és könnyű BL3 teljesítménykapcsoló modul

 
Az első repülési és űrtechnológiai alkalmazásokra szánt, és repüléstechnikai minősítéssel ténylegesen rendelkező, lapos és kis súlyú teljesítménykapcsoló modultechnológia megvalósításaként három méretfokozatú modulcsalád jött létre: a BL1, a BL2 és a BL3. A szabványos konfiguráció 1,2 kV-os, teljesen SiC-alapú topológiákat valósít meg „szabadonfutó” diódákkal vagy azok nélkül. A modulok 75 és 125 A-es áramterhelhetőségű MOSFET-ekkel, 50 A-es IGBT-kkel és 90 A-es egyenirányító diódakimenetekkel rendelhetők. Az IGBT-alapú és az egyedi kialakítású változatok 700 V-tól 1700 V-ig terjedő feszültségtartományban egyaránt elérhetők. A típusváltozattól függően különböző topológiák léteznek, mint a teljes hidas, a „phase leg” (félhidas) konfiguráció, a kettős, közös forráselektródás, valamint a feszültségcsökkentő és -növelő konverterekhez alkalmas változat.
A 2. ábrán a BL1 modulból (1200 V, 79 A, tipikus R_DS(on): 25 mΩ) kialakított félhidas topológiájú modul áramköri felépítése látható. A SiC teljesítmény-MOSFET-et alacsony R_DS(on) és magas maximális kapcsolási frekvencia jellemzi, a SiC Schottky-dióda nyitó- és záróirányban egyaránt töltéstárolás és feléledési idő nélkül, hőmérséklet-független kapcsolási tulajdonságokkal működik.

2. ábra A phase-leg topológiájú BL1 teljesítménykapcsoló modul

 
A 3. ábrán látható teljes hidas topológia mind a BL2, mind pedig a BL3 modullal megvalósítható. Ezeken a modulokon 1200 V a megengedett záróirányú feszültség a nyelő- és forráselektródák között, a folytonos nyitóirányú áram a maximális környezeti hőmérsékletnél is elérheti a 150 A-t (impulzusszerű terhelésnél pedig akár a 300 A-es csúcsértéket is), és a nyelő- és forráselektróda közötti ellenállás bekapcsolt állapotban csupán 16 mΩ. A SiC MOSFET kelvin-elrendezésű forráselektródával rendelkezik (két forráselektróda-kivezetése van a vezérlő és terhelő áramút szétválaszthatóságának megvalósításához – A szerk. megj.) a könnyű meghajthatóság érdekében, a SiC Schottky-diódák pedig nyitó- és záróirányú feléledési idő nélküli kapcsolást tesznek lehetővé. A maximális teljesítmény 560 W, a kapufeszültség pedig kikapcsolt állapotban –10 V, bekapcsoláskor +24 V.

3. ábra A BL2 és BL3 modulok teljes hidas (kettős félhidas) topológiája

Minősítő vizsgálatok

A Microchip mind a BL1, BL2 és BL3 teljesítménykapcsoló modulokon minősítő vizsgálatokat hajtott végre annak bemutatására, hogy azok a megbízhatóság, a teljesítőképesség és a hatásfok szempontjából egyaránt alkalmasak a repülés- és űrtechnikai alkalmazásokra. A megfelelőségi vizsgálati eljárás (Acceptance Test Procedure), amelyet az RTCA DO-160G szabvány határoz meg, és megfelel a polgári repülés környezeti feltételeinek, a teljes feszültség-, áram- és hőmérséklet-tartományra (–55 °C, 25 °C, és 125 °C) kiterjedő parametrikus tesztet, részleges elektromoskisülés-tesztet (10 pC legfeljebb 1200 V AC-nél), hipot-tesztet (3 kV AC roncsolásmentes villamos szilárdsági teszt), valamint szigetelési ellenállási tesztet (>100 MΩ, 500 V DC-vel mérve ) foglal magába.

A Microchip Technology az alábbi vizsgálatokat végezte el:

• Magas hőmérsékletű kapufeszültség-eltolódás teszt
  A V_GS=20 V-on és a V_GS= –8 V-on végrehajtott teszt célja annak igazolása, hogy az eszköz teljesítőképességét nem befolyásolja a magas hőmérsékletű üzemeltetés. 175 °C-os réteghőmérsékletnél a V_th küszöbfeszültség 1000 üzemórás magas hőmérsékletű működés előtt és után mért értéke között elhanyagolható mértékű változást mutatott.
• Hőciklusteszt
  Ez a teszt azt vizsgálta, hogyan tud ellenállni az eszköz az extrém alacsony és magas hőmérséklet váltakozásának. A röntgen és le­tapogató elektronmikroszkópos vizsgálat, amelyet 1000 hőciklus után hajtottunk végre (lásd a 4. ábrát) sem a forrasztott csatlakozásnál, sem a hordozólap szintjén nem mutatott olyan mértékű állapotromlást, amely képes lenne csökkenteni az eszköz teljesítőképességét.

4. ábra Röntgenvizsgálati kép az 1000 hőciklusos teszt előtt és után

• Rezgés- és ütésállóság
  A teljesítménykapcsoló modult egy rázóasztalra rögzítve háromtengelyű rezgési és ütési vizsgálatoknak vetettük alá.
• Szaggatott működésű értékváltozás (chopper-mode bias – CMB)
  A teszt célja az eszköz ellenállóképességének vizsgálata, miközben szaggatott üzemben működik magas hőmérsékleten. A vizsgálati feltételek a következők voltak: V_GS = –5 V, a kapcsolási frekvencia 20 kHz, a kitöltési tényező 0,5, a hőmérséklet 150 °C, a teszt időtartama 1000 óra. Az 5. ábra mutatja a CMB-teszt regisztrált értékeit 200 V/osztás feszültségléptékkel az 1000 órás teszt végén.

5. ábra CMB teszteredmény

• Részleges kisülés
  Ez a teszt arra a célra szolgált, hogy bizonyítsa a vizsgált eszköz szigetelésének épségét. Ez különösen fontos azoknál a SiC teljesítménykapcsoló moduloknál, amelyek nagy értékű és gyorsan változó feszültségnek (magas dV/dt) vannak kitéve.
• Hőtechnikai szimulációk és mérések
  Hőtechnikai szimulációval határoztuk meg a vizsgált eszköz termikus ellenállását és impedanciáját, a hőtechnikai mérés pedig igazolta a réteg és a hűtőfelület közötti hőellenállás szimulációjának eredményét. A vizsgálat érdekében módosított tokozattal rendelkező eszközt (lásd a 6. ábrát) bekapcsoltuk és egy állandó áramú generátorral növeltük meg a réteghőmérsékletet a hőellenállás meghatározásához. A mérés eredményei igazolták a hőtechnikai szimulációt.

6. ábra A hőtechnikai mérés előkészítése

A Microchip által vizsgált eszközök mindegyike teljesítette a tesztkövetelményeket. Ezen a módon demonstráltuk, hogy a lapos kivitelű és kis súlyú teljesítménykapcsoló modulok megbízhatóan működnek, igazoltuk, hogy ez a technológia tökéletesen alkalmas arra, hogy hosszú ideig legyenek képesek a feladatukat ellátni a nagy kihívást jelentő repülési alkalmazásokban.

Szerző: Alain Calmels, tervezőmérnök – Microchip Technology

www.microchip.com