Semiconduttori ad ampio bandgap per applicazioni aerospaziali e satellitari

I semiconduttori ad ampio bandgap (WBG) offrono diversi vantaggi nella conversione di potenza, come una maggiore densità di potenza ed efficienza, riducendo al contempo le dimensioni e il peso del sistema con una commutazione a frequenza superiore, che consente l'uso di componenti passivi più piccoli. Questi vantaggi possono essere ancora più importanti nei sistemi di alimentazione aerospaziale e satellitare, dove dimensioni e peso sono cruciali. Nell'articolo esploriamo i vantaggi relativi dei componenti WBG come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) in queste applicazioni.

Conversione di potenza negli aerei

Mentre il mondo si muove verso un futuro più verde, l'attenzione si è concentrata sui metodi per ridurre le emissioni degli aerei tradizionali alimentati a gas. Alcuni approcci presi in considerazione sono:

• Aeromobili più elettrici (MEA): l'obiettivo è quello di sostituire alcuni degli accessori del motore azionati meccanicamente o idraulicamente con componenti azionati elettricamente (ad esempio, le pompe del carburante).
• Propulsione più elettrica (MEP): i generatori elettrici sono utilizzati per fornire un'assistenza ibrida alla turbina a gas, riducendo così il consumo di carburante.
• Aeromobili solo elettrici (AEA): un piano più ambizioso che prevede un aereo completamente elettrico. Si comincerebbe con aerei più piccoli, come elicotteri, veicoli per la mobilità aerea urbana (UAM) e aerei a decollo e atterraggio verticale (VTOL), come quelli previsti per l'uso come aerotaxi.

Negli aerei moderni, l'aumento del consumo di energia ha reso necessario un incremento della tensione in ingresso generata dalla turbina a gas a 230 V_c.a.. Questa tensione viene convertita da un raddrizzatore in una tensione DC-Link di ±270 V_c.c., nota anche come tensione HVDC. I convertitori c.c./c.c. vengono quindi utilizzati per generare una LVDC a 28 V, che viene utilizzata per azionare apparecchiature come il display del ponte di volo, le pompe di carburante c.c., ecc. Proprio come nel caso dei caricatori per auto elettriche, dove si stanno sviluppando sistemi per 800 V, la tendenza negli aerei è quella di aumentare le tensioni per ridurre le perdite del cablaggio. Negli aeromobili, la tensione c.c. sarà probabilmente spinta verso la gamma dei kV, soprattutto nei sistemi a propulsione ibrida e AEA. In termini di potenza, i convertitori di potenza MEA possono variare da 10 a 100 kW, mentre i convertitori di potenza a propulsione ibrida e AEA devono essere dell'ordine di diversi MW.

Requisiti e sfide principali per l'elettronica di potenza negli aeromobili

• Dimensioni, peso e perdita di energia (SWaP): metriche SWaP più basse sono fondamentali in quanto il consumo di carburante, l'autonomia e l'efficienza complessiva sono direttamente correlate ad esse. Consideriamo l'esempio di un'AEA. In questo caso, il sistema di batterie è il componente più pesante del sistema di generazione di energia elettrica. La dimensione della batteria necessaria dipende dall'efficienza dell'inverter. Anche un miglioramento dell'1% dell'efficienza dell'inverter, dal 98% al 99%, può ridurre di diversi 100 kg le dimensioni necessarie per una batteria tipica con una densità energetica di 250 Wh/kg. La densità di potenza gravimetrica del modulo dell'inverter (kW/kg) è un altro parametro fondamentale. Allo stesso modo, le dimensioni e il peso dei componenti passivi, così come il sistema di raffreddamento richiesto per i dispositivi attivi del convertitore, possono essere notevoli.
• L'elettronica ad alta potenza installata vicino al motore in aree non pressurizzate deve far fronte a molte sfide legate al calore e all'isolamento. I dispositivi attivi necessitano di un significativo declassamento per la temperatura e i loro requisiti di raffreddamento possono gravare sull'intero sistema di raffreddamento dell'aeromobile. Ad alta quota, le scariche parziali possono verificarsi a campi elettrici inferiori, per cui il confezionamento dei semiconduttori e dei moduli, così come dei componenti di isolamento, deve essere progettato con un margine sufficiente. Garantire la tolleranza all'esposizione alle radiazioni cosmiche può anche richiedere un significativo declassamento di tensione per i dispositivi attivi.
• Standard di qualificazione e affidabilità: DO-160 è una norma per il collaudo dell'hardware avionico in diversi ambienti. Pochissimi componenti commerciali di serie (COTS) sono certificati in tal senso, il che porta gli OEM e i costruttori di aeromobili a qualificarne e garantirne l'uso.

Vantaggi nell'uso dei semiconduttori di potenza ad ampio bandgap (WBG) nei settori aerospaziale e satellitare

I materiali WBG, come SiC e GaN, offrono numerosi vantaggi rispetto ai dispositivi tradizionali basati sul silicio (Si), come illustra la Figura 1.

Figura 1: Confronto delle proprietà dei materiali Si, SiC e GaN. (Immagine per gentile concessione di Researchgate)

Questi vantaggi dei materiali si traducono in molti benefici per l'elettronica di potenza degli aeromobili:

• La maggiore conducibilità termica, soprattutto nel SiC, facilita il raffreddamento di componenti come quelli utilizzati per controllare il motore.
• Una tensione di sistema più elevata riduce le perdite ohmiche nel cablaggio. Ciò è particolarmente vero per il SiC, dove sono disponibili dispositivi commerciali fino a 3,3 kV. La ricerca attualmente è volta a estendere ulteriormente questo valore.
• Maggiore affidabilità alle alte temperature. Ad esempio, è stato dimostrato il funzionamento a +200 °C in SiC.
• Perdite di conduzione e commutazione inferiori. Il bandgap più elevato consente di ridurre la regione di deriva a una determinata tensione nominale, migliorando le perdite di conduzione. Inoltre, la riduzione delle capacità parassite comporta minori perdite di commutazione con velocità di variazione più elevate.
• La riduzione delle correnti parassite consente inoltre il funzionamento a frequenze più elevate. Ad esempio, le frequenze di commutazione in un MOSFET SiC da 1-5 kV possono essere dell'ordine di 100 kHz, rispetto ai 10 kHz possibili con topologie equivalenti in SiC. I dispositivi HEMT GaN (transistor ad alta mobilità di elettroni), sebbene siano per lo più disponibili nell'intervallo di tensione <700 V, sono unipolari e presentano ulteriori vantaggi grazie all'assenza di perdite di recupero inverso e alla capacità di commutare a diversi MHz in questo intervallo di 100 V. Il grande vantaggio delle frequenze più elevate è la possibilità di ridurre le dimensioni dei magneti.

La Figura 2 confronta l'efficienza dei convertitori boost a 100 kHz basati su GaN e Si.

Figura 2: Confronto dell'efficienza tra Si e GaN per un convertitore boost a 100 kHz. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Tutti questi vantaggi portano direttamente a migliori metriche SWaP e a densità di potenza superiori. Ad esempio, tensioni DC-Link più elevate, dovute all'uso di dispositivi di tensione più elevata, creano una corrente RMS di capacità inferiore nel condensatore DC-Link del convertitore, riducendo così le dimensioni richieste. Una frequenza di commutazione più elevata consente l'utilizzo di magneti planari ad alta frequenza e di un fattore di forma ridotto. In un convertitore di potenza tradizionale, i componenti magnetici possono rappresentare fino al 40-50% del peso totale; con l'uso di dispositivi attivi WBG che operano a frequenze più elevate, questa percentuale sta diminuendo. Se si considera la densità di potenza gravimetrica di un inverter, i convertitori raffreddati ad aria basati sul Si si aggirano intorno ai 10 kW/kg. Con l'uso dei WBG, questo parametro ha superato i 25 kW/kg in molte dimostrazioni di sistema e il raggiungimento di densità fino a 100 kW/kg è teoricamente possibile con topologie, tensioni DC-Link e frequenze di commutazione ottimizzate.

Sfide nell'uso dei semiconduttori di potenza ad ampio bandgap (WBG) e potenziali soluzioni

I vantaggi sopra descritti dei WBG si traducono tuttavia in molte sfide che devono essere affrontate. Di seguito ne sono riportate alcune e le possibili soluzioni attualmente in fase di studio:

• Densità di potenza più elevate si traducono direttamente in una maggiore generazione di calore. Le temperature elevate riducono l'efficienza della conversione di potenza e possono anche costituire un problema di affidabilità, soprattutto quando i cicli di temperatura comportano variazioni di temperatura elevate. Le sollecitazioni termomeccaniche possono influire sull'affidabilità del confezionamento dei moduli di potenza rendendo instabili i diffusori di calore, come i materiali di interfaccia termica (TIM) e il grasso termico che collegano i substrati dei dispositivi attivi ai dissipatori di calore, e aumentando la loro resistenza termica. Alcune soluzioni in fase di studio includono:
  • Miglioramento del confezionamento: i contenitori che offrono un raffreddamento a doppio lato con substrati in nitruro di alluminio (DBA) raffreddati direttamente con sinterizzazione dell'argento assicurano una migliore rimozione del calore. Altri approcci includono la fusione laser selettiva (SLM) di dissipatori di calore in lega di polvere direttamente sui substrati DBA.
  • Poiché le dimensioni del die attivo aumentano a causa dei maggiori requisiti di potenza, l'uso di die paralleli per ottenere la stessa area attiva netta può essere vantaggioso per la diffusione del calore.
• Le transizioni di commutazione più rapide con il WBG, pur essendo utili per ridurre le perdite di commutazione, creano un rischio maggiore di interferenze elettromagnetiche (EMI). Le soluzioni comprendono:
  • Le celle filtranti distribuite offrono prestazioni migliori e possono fornire ridondanza.
  • L'uso di filtri ibridi attivi-passivi che utilizzano amplificatori per potenziare le basse frequenze può ridurre la dimensione netta del filtro e migliorare le prestazioni.
• All'aumentare della tensione nominale, la resistenza specifica del dispositivo di potenza (RDSon x A, dove RDSOn è la resistenza nello stato On e A l'area attiva) aumenta a causa della necessità di una regione di deriva più spessa. Ad esempio, mentre la resistenza specifica per le alte temperature di un MOSFET SiC da 1200 V può essere di 1 mOhm-mm², può raggiungere i 10 mOhm-mm² per un dispositivo da 6 kV. Per raggiungere un obiettivo di RDSOn sono necessari dispositivi più grandi o più dispositivi in parallelo, il che comporta costi superiori del die, maggiori perdite di commutazione e maggiori requisiti di raffreddamento. Alcune soluzioni includono:
• Le topologie di convertitori a 3 o più livelli consentono di utilizzare dispositivi di potenza inferiore rispetto alla tensione DC-Link. Ciò può essere particolarmente importante per i dispositivi GaN con tensione nominale inferiore a kV, dove una configurazione SIPO (ingresso in serie, uscita in parallelo) distribuisce la tensione in ingresso su molti dispositivi, consentendone l'uso.

GaN e comunicazioni satellitari

Quando si parla della capacità di gestire le radiazioni, il dispositivo GaN HEMT è migliore dei MOSFET Si e SiC:

• Lo strato di AlGaN sotto l'elettrodo del gate non raccoglie cariche come l'ossido del gate SiO₂ nei MOSFET. Di conseguenza, le prestazioni della dose ionizzante totale (TID) degli HEMT GaN e-mode sono notevolmente migliorate, con rapporti di funzionamento che superano un megarad, mentre nel Si/SiC questo valore è tipicamente nell'ordine delle centinaia di kilorad.
• Anche gli effetti degli elettroni secondari (SEE) sono migliorati con l'HEMT GaN. L'assenza di fori riduce al minimo il rischio di disturbi secondari degli elettroni (SEU); anche il rischio di rottura del gate osservato su Si e SiC (SEGR) è ridotto al minimo.

Gli amplificatori di potenza a stato solido (SSPA) basati su GaN hanno ampiamente sostituito i dispositivi con tubo elettronico a vuoto in molte applicazioni spaziali, come nei satelliti in orbita terrestre bassa (LEO), in particolare nelle frequenze dalla banda C alla banda Ku/Ka.

Conclusione

I semiconduttori WBG, come SiC e GaN, presentano numerosi vantaggi se utilizzati nei settori aerospaziale e delle comunicazioni satellitari. Più lo sviluppo tecnologico, l'utilizzo e gli standard di affidabilità matureranno nelle applicazioni di conversione di potenza terrestri, più aumenterà la fiducia nel loro utilizzo anche nei sistemi aerospaziali e satellitari.