Széles tiltott sávú félvezetők a repülésben, az űrhajózásban és a műholdas berendezésekben

A széles tiltott sávú (WBG, wide band gap) félvezetőknek számos előnyük van az áramátalakításban, ilyen például a nagyobb teljesítménysűrűség és a jobb hatásfok, miközben a rendszer mérete és tömege csökken, míg a kapcsolási frekvencia nő, ami kisebb passzív alkatrészek használatát teszi lehetővé. Ezek az előnyök még lényegesebbek lehetnek a légi járművek, az űrkutatási eszközök és a műholdak energiaellátó rendszereinél, ahol a méret és a tömeg kritikus fontosságú. A cikkben a széles tiltott sávú anyagok, például a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) relatív előnyeit vizsgáljuk ezeken a felhasználási területeken.

Áramátalakítás a légi járműveken

Ahogy a világ egy zöldebb jövő felé halad, a figyelem a hagyományos fosszilis tüzelőanyagú légi járművek károsanyag-kibocsátásának csökkentésére irányuló módszerekre összpontosul. Néhány megfontolás tárgyát képező megoldás:

• Villamosabb légi járművek (MEA, more electric aircraft): Itt az a cél, hogy a mechanikus vagy hidraulikus hajtású motorkiszolgáló berendezések egy részét (pl. a tüzelőanyag-szivattyúkat) villamos meghajtásúakkal váltsák fel.
• Villamosabb gázturbinás légi járművek (MEP, more electric propulsion): Itt villamos generátorokat használnak a gázturbinák hibrid támogatására, ezáltal csökkentve a tüzelőanyag-fogyasztást.
• Teljesen villamos légi járművek (AEA, all electric aircraft): Ez egy nagyratörőbb terv, amely szerint a légi jármű teljesen villanyhajtású lenne. Ez kisebb légi járművekkel kezdődne, például helikopterekkel, városi légi járművekkel (UAM, urban air mobility) és függőlegesen fel- és leszálló (VTOL, vertical take-off and landing), például légi taxiként való használatra tervezett repülőgépekkel.

A korszerű légi járműveken a megnövekedett áramfogyasztás miatt a gázturbinával előállított bemenőfeszültséget 230 V váltakozó feszültségre (V_AC) kellett növelni. Ezt a feszültséget egy egyenirányító alakítja ±270 V egyenfeszültséggé (V_DC), más néven HVDC feszültséggé (nagy egyenfeszültséggé). Ebből aztán egyenáram-átalakítókkal 28 V-os kis egyenfeszültséget (LVDC) állítanak elő, amelyet olyan berendezések működtetésére használnak, mint a pilótafülkében lévő kijelzők, az egyenáramú tüzelőanyag-szivattyúk stb. Ahogyan a villanyjárművek töltői esetében, ahol a rendszereket már 800 V-ra fejlesztik, a légi járműveknél is az a tendencia, hogy a kábelek miatti veszteségek csökkentése érdekében a feszültséget egyre nagyobbra növelik. A légi járműveken az egyenfeszültség valószínűleg a kV-os tartományba kerül, különösen a hibrid meghajtású és a teljesen villamos légi járművek esetében. A teljesítményt tekintve a villamosabb légi járművek (MEA) áramátalakítóinak teljesítménye 10 kW és 100 kW között mozoghat, míg a hibrid hajtású és a teljesen villamos légi járművek (AEA) áramátalakítóinak több MW-os teljesítményűeknek kell lenniük.

A légi járművek teljesítményelektronikájára vonatkozó legfontosabb követelmények és azzal kapcsolatos feladatok

• Méret, tömeg és teljesítményveszteség (SWaP, Size, Weight and Power-loss): Kulcsfontosságú a minél alacsonyabb SWaP-értékek elérése, mert a tüzelőanyag-fogyasztás, a hatótávolság és az általános hatásfok közvetlenül függ tőlük. Vegyünk példaként egy teljesen villamos légi járművet. Ebben az esetben az akkumulátorrendszer az áramellátó rendszer legnehezebb eleme. A szükséges akkumulátor mérete az inverter hatásfokától függ. Már az inverter hatásfokának 1%-os, 98%-ról 99%-ra történő javítása is több 100 kg-mal csökkentheti a jellegzetes, 250 Wh/kg energiasűrűségű akkumulátorok tömegét. Az invertermodul tömegre vetített teljesítménysűrűsége (kW/kg) egy másik kulcsfontosságú mérőszám. Hasonlóképpen a passzív alkatrészek mérete és tömege, valamint az áramátalakító aktív eszközeihez szükséges hűtőrendszer is jelentős tényező lehet.
• A motorhoz vagy hajtóműhöz közeli, nem túlnyomásos részeken elhelyezett teljesítményelektronika a hűtéssel és a leválasztással kapcsolatos számos kihívással néz szembe. Az aktív eszközök esetében néha jelentős hőmérséklet miatti teljesítménycsökkentésre van szükség, és hűtési igényeik megterhelhetik a légi jármű teljes hűtőrendszerét. Nagy magasságban már gyengébb villamos terek esetén is bekövetkezhet részleges kisülés, ezért a félvezetők tokozását és a modulok házát, valamint az elszigetelésre szolgáló alkatrészeket kellő ráhagyással kell megtervezni. A kozmikus sugárzás elviselésének biztosítása az aktív eszközök jelentős feszültségcsökkentését is megkövetelheti.
• Minősítési és megbízhatósági szabványok: A DO-160 a repüléselektronikai hardverek különböző környezetekben történő tesztelésére vonatkozó előírás. Nagyon kevés kereskedelmi forgalomban, készletről kapható alkatrész rendelkezik ilyen tanúsítvánnyal, így a berendezésgyártóknak és a légijármű-gyártóknak kell ezeket minősíteniük, és biztosítaniuk a használatukat.

A széles tiltott sávú teljesítmény-félvezetők használatának előnyei a repülésben, az űrkutatásban és a műholdak esetében

A széles tiltott sávú anyagoknak, például a SiC-nak és a GaN-nek számos előnyük van a hagyományos szilíciumalapú (Si) eszközökkel szemben, amint az az 1. ábrán látható.

1. ábra: A Si, a SiC és a GaN anyagjellemzőinek összehasonlítása (kép: Researchgate)

Ezek az anyagjellemzőbeli minőségkülönbségek számos előnyt jelentenek a légi járművek teljesítményelektronikájában:

• A nagyobb hővezető képesség, különösen a SiC esetében, megkönnyíti például a robbanómotorok és sugárhajtóművek vezérléséhez használt alkatrészek hűtését.
• A nagyobb rendszerfeszültség csökkenti a kábelek ellenállása miatti ohmos veszteségeket. Ez különösen igaz a SiC-ra, amelyből egészen 3,3 kV-ig kaphatóak a kereskedelmi forgalomban beszerezhető eszközök, és a kutatások aktívan törekszenek ennek az értéknek a további növelésére.
• Nagyobb megbízhatóság magas hőmérsékleten. Például a SiC esetén bizonyított a +200 ˚C-on való működés.
• Kisebb vezetési és kapcsolási veszteségek. A nagyobb sávszélesség kisebb elvándorlási területet tesz lehetővé egy adott névleges feszültség mellett, ami kisebb vezetési veszteségeket eredményez. Ezenkívül a kisebb parazitakapacitások kisebb kapcsolási veszteségekkel járnak, és nagyobb kapcsolási sebességeket tesznek lehetővé.
• A kisebb parazitakapacitások és -induktivitások nagyobb frekvencián való működésre teremtenek lehetőséget. Például egy 1–5 kV-os SiC MOSFET kapcsolási frekvenciája több száz 100 kHz is lehet, szemben az egyenértékű Si-áramkörökkel elérhető néhányszor 10 kHz-es frekvenciákkal. A GaN HEMT (high-electron-mobility transistor, nagy elektronmozgékonyságú tranzisztor) tranzisztorok, bár többnyire a 700 V feletti feszültségtartományban kaphatóak, egypólusúak, és további előnyük, hogy nincsenek a záróirányú áram miatti veszteségeik, és ebben a néhány 100 V-os tartományban több MHz-en is képesek kapcsolni. A nagyobb frekvenciák nagy előnye, hogy a mágnesek mérete is csökkenthető.

A 2. ábrán a GaN- és a Si-alapú 100 kHz-es feszültségnövelő áramátalakítók hatásfokának összehasonlítása látható.

2. ábra: A Si és a GaN hatásfokának összehasonlítása egy 100 kHz-es feszültségnövelő áramátalakító esetében (kép: Nexperia)

A fenti előnyök mindegyike közvetlenül jobb SWaP-értékekhez és nagyobb teljesítménysűrűséghez vezet. Például a nagyobb névleges feszültségű eszközök használatából eredő nagyobb bemenetsimító áramköri feszültség kisebb hatásos maradékáram-erősséget hoz létre az átalakító bemenetsimító kondenzátorában, így annak mérete csökkenthető. A nagyobb kapcsolási frekvencia lehetővé teszi a kisebb méretű nagyfrekvenciás síkmágnesek használatát. Egy hagyományos áramátalakítóban a mágneses alkatrészek a teljes tömeg 40–50%-át is kitehetik, de a nagyobb frekvenciákon működő aktív széles tiltott sávú eszközök használatával ez az arány egyre csökken. A Si-alapú léghűtéses áramátalakítók esetében az inverter tömegre vetített teljesítménysűrűsége 10 kW/kg körül mozog. Széles tiltott sávú eszközök használata esetén ez az érték számos szemléltetőrendszerben meghaladta a 25 kW/kg-ot, és optimális áramköri elrendezésekkel, bemenetsimító áramköri feszültségekkel és kapcsolási frekvenciákkal elméletileg lehetségesnek bizonyult a 100 kW/kg-os teljesítménysűrűség elérése is.

A széles tiltott sávú teljesítmény-félvezetők használata jelentette kihívások és a lehetséges megoldások

A széles tiltott sávú eszközök fenti előnyei azonban számos olyan kihívással is járnak, amelyekkel foglalkozni kell. Az alábbiakban bemutatunk néhányat ezek közül a kihívások közül a jelenleg vizsgált lehetséges megoldásokkal együtt:

• A nagyobb teljesítménysűrűség megnövekedett hőtermeléssel jár. A magas hőmérséklet csökkenti az áramátalakítás hatásfokát, és a megbízhatósággal kapcsolatos problémákat is okozhat, különösen akkor, ha a hűtési és melegedési ciklusok nagy hőmérséklet-változásokkal járnak. A termomechanikai igénybevétel hatással lehet a tápegységek házának megbízhatóságára, ugyanis a hűtőeszközök, például az aktív eszközök hordozólapkáit (szubsztrát) a hűtőbordákhoz csatlakoztató hővezető anyagok – például a hővezető zsír – instabillá válnak, és megnő a hőellenállásuk. A jelenleg vizsgált megoldások közül néhány:
  • Jobb tokozás: A kétoldali hűtést biztosító, ezüstszinterezéssel ellátott, közvetlen hűtésű alumínium-nitrid (DBA, direct bonded aluminum – közvetlen kötésű alumínium) hordozólapkákkal készült tokozások jobb hőelvezetést tesznek lehetővé. A további módszerek közé tartozik a porötvözetből készült hűtőbordáknak közvetlenül a DBA-hordozólapkákra való szelektív lézeres ráolvasztása (SLM, selective laser melting).
  • Mivel a megnövekedett energiaigény miatt az aktív félvezetőszelet mérete is megnő, a hűtés szempontjából előnyös lehet a párhuzamos félvezetőszeletek használata az ugyanakkora nettó aktív terület elérése érdekében.
• A széles tiltott sávú eszközök gyorsabb kapcsolási átmenetei, bár a kapcsolási veszteségeket csökkentik, nagyobb elektromágneses zavarási (EMI) kockázatot jelentenek. Az erre szolgáló megoldások többek között az alábbiak:
  • Az elosztott szűrőcellák jobb teljesítményt nyújtanak és redundanciát biztosíthatnak.
  • A kisebb frekvenciák kiemelésére erősítőket használó hibrid aktív-passzív szűrők használata csökkentheti a szűrő nettó méretét, és javíthatja a teljesítményt.
• A névleges feszültség növekedésével a teljesítményelektronikai eszköz fajlagos ellenállása (R_DS(ON) × A, ahol R_DS(ON) a nyitóirányú ellenállás, A pedig az aktív terület) nő, mivel vastagabb elvándorlási területre van szükség. Például míg egy 1200 V-os SiC MOSFET ellenállása magas hőmérsékleten 1 mΩ/mm² lehet, addig egy 6 kV-os névleges feszültségű eszköz esetében elérheti a 10 mΩ/mm² értéket. Az R_DS(ON) célérték eléréséhez nagyobb eszközökre vagy több párhuzamos eszközre van szükség, ami magasabb félvezetőszelet-költségeket, nagyobb kapcsolási veszteséget és magasabb hűtési követelményeket jelent. Néhány megoldás ennek elérésére:
• A 3 vagy több fokozatú áramátalakító áramkörök használata lehetővé teszi a bemenetsimító áramköri feszültségnél kisebb névleges feszültségű eszközök használatát. Ez különösen fontos lehet az 1 kV alatti feszültségű GaN-eszközöknél, ahol egy soros bemenetű, párhuzamos kimenetű (SIPO, series in, parallel out) kialakítással a bemenőfeszültség több eszközre osztható el, lehetővé téve ezzel több eszköz használatát.

A GaN és műholdas kommunikáció

A GaN HEMT tranzisztorok jobban tűrik a sugárzást, mint a Si és SiC MOSFET-ek:

• A kapuelektróda alatti AlGaN-réteg nem gyűjti fel a töltést, mint a kapu alatti SiO₂ oxidréteg a MOSFET-ekben. Ennek eredményeképpen a növekményes üzemmódú (e-mode, enhancement mode) GaN HEMT tranzisztorok teljes ionizáló dózisa (TID, total ionizing dose) jelentősen nagyobb, a működés közben felvett mérési jegyzőkönyvek szerint meghaladja az egy megaradot (Mrad) (10 kGy) (kilogray), míg a Si/SiC esetében ez jellemzően mindössze néhány száz kiloradot (krad) (néhány kGy-t) tesz ki (a rad egy Amerikában használt mértékegység, 1 Gy = 100 rad).
• A GaN HEMT esetében az egyrészecskés zavarok (SEE, single event error) is kedvezőbbek. A lyukak hiánya minimálisra csökkenti az egyrészecskés zavarok (SEU, single event upset, ugyanaz, mint az SEE) kockázatát, míg a Si és SiC esetében megfigyelhető egyrészecskés kapuáttörés (SEGR, single event gate rupture) kockázata szintén minimálisra csökken.

A GaN-alapú félvezetős teljesítményerősítők (SSPA, solid state power amplifier) az űrtechnika számos területén, például az alacsony Föld körüli pályán (LEO, low Earth orbit) keringő műholdakban nagyrészt felváltották a vákuumcsöves eszközöket, különösen a C sávtól a Ku/Ka sávig terjedő frekvenciákon.

Összegzés

Az olyan széles tiltott sávú félvezetők, mint a SiC és a GaN, számos előnnyel járnak a repülésben, az űrkutatásban és a műholdas kommunikációban való felhasználás során. Ahogy a földi áramátalakító berendezések esetében fejlődik a technika és annak felhasználása, és kiforrottá válnak a megbízhatósági szabványok, úgy nő a bizalom a repülőgépes, űrtechnikai és műholdas rendszerekben való használatuk iránt is.