Wide Band Gap-halfgeleiders in ruimtevaart- en satelliettoepassingen

Wide Band Gap (WBG)-halfgeleiders bieden verschillende voordelen bij vermogensconversie, zoals een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie, terwijl de systeemomvang en het gewicht worden verminderd door schakelen met een hogere frequentie, waardoor kleinere passieve componenten kunnen worden gebruikt. Deze voordelen kunnen nog belangrijker zijn in de lucht- en ruimtevaart en bij satellietsystemen, waar omvang en gewicht van cruciaal belang zijn. In het artikel onderzoeken wij de relatieve voordelen van WBG-componenten zoals Siliciumcarbide (SiC) en Galliumnitride (GaN) in deze toepassingen.

Energieomzetting in vliegtuigen

Nu de wereld naar een groenere toekomst toewerkt, is de aandacht gericht op methoden om de uitstoot van traditionele gasvliegtuigen te verminderen. Enkele benaderingen die worden overwogen zijn:

• More Electric Aircraft (MEA): Het doel is hier om een aantal mechanisch of hydraulisch aangedreven motoraccessoires te vervangen door elektrisch aangedreven componenten (b.v. de brandstofpompen).
• More Electric Propulsion (MEP): Hier worden elektrische generators gebruikt om de gasturbine hybride te ondersteunen, waardoor het brandstofverbruik daalt.
• All Electric Aircraft (AEA): Een ambitieuzer plan waarbij het vliegtuig volledig elektrisch is. Dit zou beginnen met kleinere vliegtuigen zoals helikopters, Urban Air Mobility (UAM) voertuigen en Vertical Take-off and Landing (VTOL) vliegtuigen, zoals die welke zijn gepland voor gebruik als luchttaxi's.

In moderne vliegtuigen heeft het toegenomen stroomverbruik een verhoging van de inkomende spanning van de gasturbine tot 230 V_AC noodzakelijk gemaakt. Deze spanning wordt door een gelijkrichter omgezet in een tussenkringspanning van ±270 V_DC, ook bekend als de HVDC-spanning. DC/DC-convertors worden dan gebruikt om een LVDC van 28 V te genereren, die wordt gebruikt om apparatuur zoals de cockpit display, de DC-brandstofpompen, enz. aan te drijven. Net als bij EV-opladers voor auto's, waar nu systemen voor 800 V worden ontwikkeld, is de trend in vliegtuigen om de spanningen op te voeren om bekabelingsverliezen te beperken. In vliegtuigen zal de gelijkspanning waarschijnlijk naar het kV-bereik worden geduwd, vooral in hybride aandrijvings- en AEA-systemen. In termen van vermogen kunnen MEA-vermogensconvertors variëren van 10 tot 100 KW, terwijl hybride aandrijving en AEA-vermogensconvertors in het bereik van meerdere MW moeten liggen.

Belangrijkste eisen en uitdagingen voor vermogenselektronica in vliegtuigen

• Size, Weight and Power-loss (SWaP): Lagere SWaP-cijfers zijn essentieel omdat brandstofverbruik, actieradius en algemene efficiëntie er rechtstreeks verband mee houden. Neem het voorbeeld van een AEA. In dit geval is het batterijsysteem de zwaarste component van het systeem voor elektriciteitsopwekking. De vereiste batterijgrootte hangt af van het rendement van de omvormer. Zelfs een verbetering van 1% in de efficiëntie van de omvormer van 98% naar 99% kan de benodigde batterijgrootte voor een typische batterij met een energiedichtheid van 250 Wh/kg met enkele 100 kg verminderen. De gravimetrische vermogensdichtheid van de omvormermodule (kW/kg) is een andere belangrijke maatstaf. Ook de omvang en het gewicht van passieve componenten, alsmede het koelsysteem dat nodig is voor actieve convertoren, kunnen aanzienlijk zijn.
• Elektronica met hoog vermogen die dicht bij de motor in een ruimte zonder drukcabine is geïnstalleerd, wordt geconfronteerd met vele uitdagingen op het gebied van warmte en isolatie. Actieve apparaten moeten in aanzienlijke mate op temperatuur worden gebracht, en hun koelbehoeften kunnen het koelsysteem van het gehele vliegtuig belasten. Op grote hoogte kan bij lagere elektrische velden gedeeltelijke ontlading optreden, zodat de verpakking van halfgeleiders en modules, alsmede isolatiecomponenten, met voldoende marge moeten worden ontworpen. Om tolerantie voor blootstelling aan kosmische straling te waarborgen, kan het ook nodig zijn de spanning van de actieve apparaten aanzienlijk te verlagen.
• Normen voor kwalificatie en betrouwbaarheid: De DO-160 is een regel voor het testen van avionica-hardware in verschillende omgevingen. Zeer weinig commerciële off-the-shelf (COTS) componenten zijn hiervoor gecertificeerd, waardoor OEM's en vliegtuigfabrikanten het gebruik ervan moeten kwalificeren en garanderen.

Voordelen van het gebruik van vermogenshalfgeleiders met brede bandbreedte (WBG) in de ruimtevaart en bij satellieten

WBG-materialen zoals SiC en GaN bieden vele voordelen ten opzichte van traditionele op silicium (Si) gebaseerde apparaten, zoals blijkt uit Afbeelding 1.

Afbeelding 1: Vergelijking van de materiaaleigenschappen voor Si, SiC en GaN. (Bron afbeelding: Researchgate)

Deze materiaalvoordelen vertalen zich in vele voordelen in de vermogenselektronica van vliegtuigen:

• De hogere thermische geleidbaarheid, vooral in SiC, maakt het gemakkelijker om onderdelen zoals die voor de besturing van de motor te koelen.
• Een hogere systeemspanning vermindert de ohmse verliezen in de bekabeling. Dit geldt met name voor SiC, waar commerciële apparaten beschikbaar zijn tot 3,3 kV, met actief onderzoek om dit verder uit te breiden.
• Verbeterde betrouwbaarheid bij hoge temperaturen. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat SiC bij +200 ˚C werkt.
• Lagere geleidings- en schakelverliezen. De hogere bandkloof maakt een kleiner driftgebied bij een bepaalde spanning mogelijk, wat leidt tot betere geleidingsverliezen. Bovendien leiden lagere parasitaire capaciteiten tot lagere schakelverliezen met snellere schakelsnelheden.
• Lagere parasieten maken ook een hogere frequentie mogelijk. Zo kunnen de schakelfrequenties in een 1-5 kV SiC MOSFET in de 100 kHz lopen, vergeleken met de 10 kHz die mogelijk zijn bij gelijkwaardige topologieën in Si. GaN HEMT-apparaten (high electron mobility transistor), hoewel meestal beschikbaar in het spanningsbereik <700 V, zijn unipolair en hebben verdere voordelen met geen reverse recovery verliezen en de mogelijkheid om te schakelen bij verscheidene MHz in dit 100 volt bereik. Het grote voordeel van hogere frequenties is dat de magneten kleiner kunnen worden.

Afbeelding 2 vergelijkt de efficiëntie van op GaN en Si-gebaseerde 100 kHz boostconvertors.

Afbeelding 2: Vergelijking van de efficiëntie tussen Si en GaN voor een 100 kHz boostconvertor. (Bron afbeelding: Nexperia)

Alle bovengenoemde voordelen leiden rechtstreeks tot betere SWaP-metrieken en hogere vermogensdichtheden. Zo leiden hogere tussenkringspanningen door het gebruik van apparaten met een hogere spanning tot een kleinere RMS-stroom in de tussenkringscondensator van de converter, waardoor deze minder groot hoeft te zijn. Een hogere schakelfrequentie maakt het gebruik van planaire magneten met een kleinere vormfactor en een hoge frequentie mogelijk. In een traditionele vermogensconvertor kunnen de magnetische componenten wel 40-50% van het totale gewicht uitmaken, en met het gebruik van actieve WBG-apparaten die bij hogere frequenties werken, wordt dit percentage steeds lager. Als we dit bekijken in termen van de gravimetrische vermogensdichtheid van een omvormer, liggen de op Si gebaseerde luchtgekoelde omvormers rond de 10 kW/kg. Met het gebruik van WBG's is deze densiteit in veel systeemdemonstraties hoger dan 25 kW/kg, en het bereiken van dichtheden tot 100 kW/kg is theoretisch mogelijk gebleken met geoptimaliseerde topologieën, tussenkringspanningen en schakelfrequenties.

Uitdagingen bij het gebruik van vermogenshalfgeleiders met brede bandbreedte en mogelijke oplossingen

De bovengenoemde voordelen van WBG's brengen echter veel uitdagingen met zich mee die moeten worden aangepakt. Hieronder volgen enkele van deze uitdagingen en mogelijke oplossingen die momenteel worden onderzocht:

• Hogere vermogensdichtheden leiden rechtstreeks tot meer warmteontwikkeling. Hoge temperaturen verlagen de efficiëntie van de vermogensconverties en kunnen ook een probleem vormen voor de betrouwbaarheid, vooral wanneer de temperatuurwisseling gepaard gaat met grote temperatuurschommelingen. Thermomechanische belasting kan de betrouwbaarheid van de verpakking van vermogensmodules beïnvloeden doordat warmteverspreiders, zoals thermische interfacematerialen (TIM), die actieve apparaatsubstraten met de koellichamen verbinden, instabiel worden en hun thermische weerstand verhogen. Sommige oplossingen worden onderzocht:
  • Verbeterde verpakking: Pakketten met dubbelzijdige koeling met direct gekoelde aluminiumnitridesubstraten (DBA) met zilversintering zorgen voor een betere warmteafvoer. Andere benaderingen zijn selectief lasersmelten (SLM) van koellichamen van poederlegeringen rechtstreeks op de DBA-substraten.
  • Naarmate de omvang van de actieve matrijs toeneemt als gevolg van de hogere energie-eisen, kan het gebruik van parallelle matrijzen om hetzelfde netto actieve oppervlak te bereiken, voordelig zijn voor de warmtespreiding.
• De snellere schakelovergangen met WBG zijn weliswaar goed voor de vermindering van de schakelverliezen, maar brengen een groter risico van elektromagnetische interferentie (EMI) met zich mee. Oplossingen hiervoor zijn onder andere:
  • Gedistribueerde filtercellen bieden betere prestaties en kunnen zorgen voor redundantie.
  • Het gebruik van hybride actief-passieve filters met versterkers om de lage frequenties te versterken, kan de netto filtergrootte verkleinen en de prestaties verbeteren.
• Naarmate de nominale spanning toeneemt, neemt de specifieke weerstand van het vermogenstoestel (R_DS(ON) x A, waarbij R_DS(ON) de weerstand in aan-stand is en A de actieve oppervlakte) toe vanwege de noodzaak van een dikker driftgebied. Bijvoorbeeld, terwijl de hoge temperatuurspecifieke weerstand van een 1200 V SiC MOSFET 1 mOhm-mm² kan bedragen, kan hij 10 mOhm-mm² bereiken voor een apparaat van 6 kV. Er zijn grotere apparaten of meer apparaten in parallel nodig om een R_DS(ON)-doelstelling te halen, wat hogere kosten voor de matrijs, meer schakelverliezen en meer koelingsvereisten betekent. Enkele oplossingen zijn:
• Het gebruik van 3- of meerlagige convertertopologieën maakt het gebruik mogelijk van apparaten met een lagere waarde dan de tussenkringspanning. Dit kan vooral van belang zijn bij GaN-apparaten met een subkV-waarde, waar een SIPO-configuratie (series in, parallel out) de inkomende spanning over vele apparaten verdeelt, waardoor zij kunnen worden gebruikt.

GaN en satellietcommunicatie

In termen van stralingsbestendigheid is de GaN HEMT beter dan Si en SiC MOSFETs:

• De AlGaN-laag onder de gate-elektrode verzamelt geen lading zoals de SiO₂ gate-oxide in MOSFET's doet. Als gevolg daarvan is de totale ionisatiedosis (TID) van e-mode GaN HEMT's aanzienlijk verbeterd, met meldingen van werking van meer dan één Mrad (megarad), terwijl dit in Si/SiC gewoonlijk in de honderden krads (kilorads) ligt.
• De secundaire elektroneffecten (SEE) zijn ook verbeterd met de GaN HEMT. Een gebrek aan gaten minimaliseert het risico van secundaire elektronenstoringen (SEU), terwijl ook het risico van poortbreuk zoals bij Si en SiC (SEGR) wordt geminimaliseerd.

Op GaN gebaseerde Solid State Power Amplifiers (SSPA's) hebben in veel ruimtetoepassingen, zoals in satellieten in een Low Earth Orbit (LEO), de vacuümbuisapparaten grotendeels vervangen, met name in de frequenties van de C- tot de Ku/Ka-banden.

Conclusie

WBG-halfgeleiders zoals SiC en GaN hebben veel voordelen bij gebruik in de ruimtevaart en satellietcommunicatie. Naarmate de technologische ontwikkeling, het gebruik en de betrouwbaarheidsnormen ervan in aardse stroomconversietoepassingen rijper worden, zal ook het vertrouwen in het gebruik ervan in ruimtevaart- en satellietsystemen toenemen.