Leveän energiaraon puolijohteet ilmailu- ja satelliittisovelluksissa

Leveän energiaraon (WBG) puolijohteista on monia etuja tehomuunnoksessa, kuten suurempi tehotiheys ja parempi tehokkuus. Korkeampi kytkentätaajuus mahdollistaa myös pienempien passiivikomponenttien käytön, mikä puolestaan vähentää järjestelmän kokoa ja painoa. Nämä edut voivat olla entistäkin tärkeämpiä ilmailualan ja satelliittien tehojärjestelmissä, joissa koko ja paino ovat kriittisen tärkeitä. Artikkelissa tarkastellaan piikarbidin (SiC) ja galliumnitridin (GaN) kaltaisten WBG-komponenttien suhteellisia etuja näissä käyttökohteissa.

Tehomuunnos lentokoneessa

Maailman siirtyessä kohti vihreämpää tulevaisuutta huomio on keskittynyt menetelmiin, joilla perinteisten lentopetrolia käyttävien lentokoneiden päästöjä voidaan vähentää. Eräitä tarkasteltuja lähestymistapoja ovat seuraavat:

• Sähköisempi lentokone (MEA, More Electric Aircraft): Tavoitteena on korvata osa mekaanisista tai hydraulikäyttöisistä moottorin lisälaitteista sähkötoimisilla komponenteilla (esim. polttoainepumput).
• Sähköisempi työntövoima (MEP, More Electric Propulsion): Tässä käytetään sähkögeneraattoreita tarjoamaan kaasuturbiinille hybridiapua, mikä vähentää polttoaineen kulutusta.
• Täysin sähköinen lentokone (AEA, All Electric Aircraft): Kunnianhimoisempi suunnitelma, jossa koko lentokone on sähkökäyttöinen. Tämä alkaisi pienemmistä lentokoneista, kuten helikoptereista, kaupunki-ilmailukoneista (UAM, Urban Air Mobility) ja VTOL-lentokoneista (Vertical Take-off and Landing), esimerkiksi niistä, joita aiotaan käyttää lentotakseina.

Modernien lentokoneiden lisääntyneen virrankulutuksen vuoksi kaasuturbiinin tuottama syöttöjännite on pitänyt korottaa arvoon 230 V_AC. Tämä jännite muunnetaan tasasuuntaajalla jännitteeksi ±270 V_DC, joka tunnetaan myös nimellä HVDC eli suurjännitteinen tasasähkö. DC/DC-muuntimia käytetään sitten tuottamaan 28 V pienjännitteistä tasasähköä (LVDC), jota käytetään esimerkiksi ohjaamon näytön, DC-polttoainepumppujen ja vastaavien käyttövoimana. Samalla tavoin kuin sähköajoneuvojen latureihin kehitetään nykyisin 800 V:n järjestelmiä, myös ilmailualalla trendinä on korottaa jännitteitä kaapelihäviöiden vähentämiseksi. Lentokoneissa DC-jännitettä ollaan todennäköisesti nostamassa kilovolttitasolle, erityisesti hybridipropulsio- ja AEA-järjestelmissä. Tehon osalta MEA-tehonmuuntimet voivat olla välillä 10–100 kW, kun taas hybridipropulsion ja AEA-tehonmuuntimien on toimittava useiden megawattien teholla.

Lentokoneiden tehoelektroniikan keskeiset vaatimukset ja haasteet

• Koko, paino ja tehohäviö (SWaP): Alhaisemmat SWaP-arvot ovat keskeisessä asemassa, sillä polttoaineen kulutus, toimintamatka ja kokonaistehokkuus ovat niihin suorassa yhteydessä. Mietitäänpä esimerkiksi täysin sähkökäyttöistä lentokonetta. Tässä tapauksessa akkujärjestelmä on sähköntuotantojärjestelmän raskain osa. Tarvittava akkukoko riippuu invertterin hyötysuhteesta. Jopa yhden prosenttiyksikön parannus invertterin hyötysuhteessa 98 prosentista 99 prosenttiin voi vähentää tyypilliseltä akulta, jonka energiatiheys on 250 Wh/kg, vaadittavaa kokoa useilla sadoilla kiloilla. Invertterimoduulin (kW/kg) ominaisenergia on toinen keskeinen parametri. Myös passiivisten komponenttien sekä muuntimen aktiivisten laitteiden tarvitseman jäähdytysjärjestelmän koko ja paino voivat olla huomattavat.
• Lähelle moottoria paineistamattomiin tiloihin asennettava korkeatehoinen elektroniikka kohtaa monia lämpöön ja eristämiseen liittyviä haasteita. Aktiiviset laitteet tarvitsevat huomattavan tehonalennuksen lämpötilan johdosta, ja niiden jäähdytysvaatimukset voivat rasittaa lentokoneen yleistä jäähdytysjärjestelmää. Korkealla lennettäessä osittaispurkauksia voi tapahtua matalammissa sähkökentissä, minkä vuoksi puolijohteiden ja moduulien kotelointi sekä eristysosat pitää suunnitella riittävillä marginaaleilla. Kosmisen säteilyaltistuksen kestokyvyn varmistaminen voi myös vaatia merkittävää jännitteenlaskua aktiivisilta laitteilta.
• Kelpoisuus- ja luotettavuusstandardit: DO-160 on sääntö, joka koskee avioniikkalaitteiden testaamista eri ympäristöissä. Vain hyvin harvoja kaupallisesti saatavilla olevia (COTS) tuotteita on sertifioitu tätä varten, minkä vuoksi OEM-valmistajat ja lentokoneiden valmistajat hankkivat itse niille hyväksynnän ja varmistavat niiden käytön.

Leveän energiaraon (WBG) tehopuolijohteiden edut ilmailualalla ja satelliiteissa

WBG-materiaalit, kuten SiC ja GaN, tarjoavat monia etuja perinteisiin piipohjaisiin (Si) laitteisiin verrattuna kuvan 1 mukaisesti.

Kuva 1: Si-, SiC- ja GaN-materiaalien ominaisuuksien vertailu. (Kuvan lähde: Researchgate)

Näistä materiaalieduista on monia hyötyjä lentokoneiden tehoelektroniikalle:

• Parempi lämmönjohtavuus, etenkin SiC:n tapauksessa, helpottaa esimerkiksi moottorin ohjaukseen käytettävien osien jäähdytystä.
• Korkeampi järjestelmäjännite vähentää kaapelointiin liittyviä ohmisia häviöitä. Tämä koskee erityisesti SiC-materiaalia, jota käyttäviä kaupallisia laitteita on saatavilla jopa 3,3 kV:n jännitteillä. Tutkimustyötä tehdään aktiivisesti tämän jännitteen nostamiseksi entisestään.
• Parempi luotettavuus korkeissa lämpötiloissa. Esimerkiksi SiC-materiaalin on demonstroitu toimivan lämpötilassa +200 °C.
• Alhaisemmat johtumis- ja kytkentähäviöt. Leveämpi energiarako mahdollistaa pienemmän drift-alueen halutulla nimellisjännitteellä, mikä vähentää johtumishäviöitä. Lisäksi matalammat loiskapasitanssit johtavat pienempiin kytkentähäviöihin ja korkeampiin kytkentänopeuksiin.
• Koska loisilmiöitä on vähemmän, käyttötaajuus voi olla korkeampi. Esimerkiksi 1–5 kV:n SiC MOSFET ‑transistorin kytkentätaajuudet voivat olla satoja kilohertsejä verrattuna vastaavaa topologiaa käyttävien piiversioiden kymmeniin kilohertseihin. GaN HEMT ‑transistorit, vaikka niitä onkin yleensä saatavilla alle 700 V:n jännitealueille, ovat unipolaarisia ja tarjoavat lisäetuja, sillä niissä ei ole estosuuntaisia elpymishäviöitä ja ne kykenevät useiden megahertsien kytkentätaajuuksiin satojen volttien jännitealueella. Korkeampien taajuuksien suurena etuna on mahdollisuus pienentää magneettisten komponenttien kokoa.

Kuvassa 2 verrataan GaN- ja Si-pohjaisten 100 kHz:n jännitteenkorotusmuuntimien hyötysuhdetta.

Kuva 2: Si- ja GaN-hyötysuhteen vertailu 100 kHz:n jännitteenkorotusmuuntimessa. (Kuvan lähde: Nexperia)

Kaikki edellä mainitut edut johtavat suoraan parempiin SWaP-arvoihin ja korkeampiin tehotiheyksiin. Esimerkiksi jänniteluokitukseltaan korkeammat komponentit nostavat DC-linkkijännitteitä ja laskevat muuntimen DC-linkkikondensaattorin RMS-virtaa, jolloin kondensaattoria voidaan pienentää. Suurempi kytkentätaajuus mahdollistaa pienempien ja taajuudeltaan korkeampien tasomagneettien käytön. Perinteisessä tehomuuntimessa magneettiset komponentit voivat muodostaa jopa 40–50 % kokonaispainosta, ja korkeammilla taajuuksilla toimivien WBG-aktiivilaitteiden käytön myötä tämä prosenttiosuus on pienenemässä. Invertterin ominaisenergiaa tarkasteltaessa piipohjaisten ilmajäähdytteisten muuntimien ominaisenergiat ovat olleet noin 10 kW/kg. WBG-komponenttien käytön myötä tämä arvo on ylittänyt 25 kW/kg monissa esitellyissä järjestelmissä, ja jopa arvon 100 kW/kg saavuttamisen on osoitettu olevan teoreettisesti mahdollista optimoiduilla topologioilla, DC-linkkijännitteillä ja kytkentätaajuuksilla.

Leveän energiaraon (WBG) tehopuolijohteiden käytön haasteet ja mahdollisia ratkaisuja

Edellä mainitut WBG:n edut tuovat mukanaan kuitenkin monia haasteita, jotka on ratkaistava. Alla on joitakin näistä haasteista ja mahdollisia ratkaisuja, joita parhaillaan tutkitaan:

• Korkeampi tehotiheys merkitsee suoraan korkeampaa lämmönmuodostusta. Korkeat lämpötilat vähentävät tehonmuunnoksen hyötysuhdetta ja voivat aiheuttaa myös luotettavuusongelmia, etenkin jos lämpötilan vaihtelussa esiintyy suuria lämpötilamuutoksia. Lämpömekaaninen rasitus voi vaikuttaa tehomoduulin koteloinnin luotettavuuteen tekemällä lämmönlevittimistä (esim. aktiivilaitteiden ja jäähdytyselementtien väliin levitettävä lämpötahna) epävakaita ja lisäämällä niiden lämmönvastusta. Eräitä tutkittavia ratkaisuja ovat muun muassa seuraavat:
  • Parannettu kotelointi: kotelointi, joka tarjoaa kaksipuolisen jäähdytyksen suorajäähdytteisellä aluminiumnitridisellä (DBA) hopeasintratulla perusmateriaalilla ja parantaa lämmönpoistoa. Muita lähestymistapoja ovat jauheseoksesta valmistettujen jäähdytyselementtien selektiivinen lasersulatus (SLM) suoraan DBA-perusmateriaalien päälle.
  • Koska aktiivinen sirun koko kasvaa tehotarpeen kasvaessa, rinnakkaisten sirujen käytöstä saman aktiivisen nettoalan saavuttamiseen voi olla hyötyä lämmön levittämisessä.
• Vaikka WBG-teknologiaa käytettäessä nopeampi kytkentä vähentääkin kytkentähäviöitä, se kasvattaa myös sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) riskiä. Ratkaisuja tähän ovat muun muassa seuraavat:
  • Hajautetut suodatinkennot parantavat suorituskykyä ja mahdollistavat varmennuksen.
  • Hybridimallisen aktiivi-passiivisuodattimien sekä matalia taajuuksia vahvistavien vahvistimien käyttö voi pienentää suodattimen nettokokoa ja parantaa suorituskykyä.
• Nimellisjännitteen kasvaessa teholaitteen ominaisvastus (R_DS(ON) x A, missä R_DS(ON) on johtotilan resistanssi ja A aktiivinen alue) kasvaa vaadittavan paksumman drift-alueen vuoksi. Vaikka esimerkiksi 1200 V:n SiC MOSFET ‑transistorin korkean lämpötilan ominaisvastus voi olla 1 mOhm-mm², se voi olla jopa 10 mOhm-mm² 6 kV:n komponentissa. R_DS(ON)-tavoitteen saavuttamiseksi tarvitaan suurempia komponentteja tai useampia komponentteja rinnan, mikä tarkoittaa korkeampia sirukustannuksia, suurempia kytkentähäviöitä ja enemmän jäähdytysvaatimuksia. Ratkaisuvaihtoehtoja:
• Kolmi- tai monitasoisen muunnintopologian avulla voidaan käyttää komponentteja, joiden jänniteluokitus on matalampi kuin DC-linkkijännite. Tämä voi olla erityisen tärkeää jänniteluokitukseltaan alle kilovoltin GaN-komponenteissa, joissa SIPO-konfiguraatio jakaa syöttöjännitteen useille laitteille mahdollistaen niiden käytön.

GaN ja satelliittiradioliikenne

GaN HEMT ‑transistorin säteilynsieto on parempi kuin Si- ja SiC-MOSFET-transistorien:

• Hilaelektrodin alla oleva AlGaN-kerros ei kerää varausta kuten MOSFET-transistorien SiO₂-hilaoksidi. Tämän seurauksena e-mode GaN HEMT ‑transistorin kokonaisionisaatioannoksen (TID) kesto on huomattavasti parempi. On raportteja jopa megaradin ylityksistä, kun Si/SiC-materiaalilla annokset ovat tyypillisesti joitakin satoja kiloradeja.
• GaN HEMT ‑transistoreissa on myös parempi SEE. Aukkojen puute minimoi SEU-riskin sekä Si- ja SiC-pohjaisissa transistoreissa nähtävien SEGR-vaurioiden riskin.

GaN-pohjaiset puolijohdevahvistimet (SSPA) ovat enimmäkseen korvanneet tyhjiöputkilaitteet monissa avaruussovelluksissa, kuten LEO-satelliiteissa, erityisesti taajuuskaistoilla C–Ku/Ka.

Yhteenveto

WBG-puolijohteilla, kuten SiC ja GaN, on monia etuja, kun niitä käytetään ilmailu- ja satelliittiradioliikenteessä. Kunhan niiden tekninen kehitys, käyttö ja luotettavuusstandardit kypsyvät maanpäällisissä tehonmuunnossovelluksissa, luottamus niiden käyttämiseen myös ilmailu- ja satelliittijärjestelmissä kasvaa.