宽带隙 (WBG) 半导体在电源转换方面具备几个优势，如功率密度和效率更高，同时可通过允许使用更小无源元器件的高频开关，减少系统尺寸和重量。这些优势在航空航天和卫星动力系统中可能更加重要，因为尺寸和重量在这些领域中更为关键。本文探讨了碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等 WBG 元器件在这些应用中的相对优势。
全电飞机 (AEA)：纯电动飞机，任重道远。这些方法将首先应用于小型飞机，例如直升机、城市空中交通 (UAM) 车辆和垂直起降 (VTOL) 飞机，例如计划用作空中出租车的飞机。
尺寸、重量和功率损失 (SWaP)：较低的 SWaP 指标是关键，因为油耗、续航里程和整体能效与之直接相关。想想 AEA。在这种情况下，电池系统是发电系统中最重的部件。所需的电池尺寸取决于逆变器的效率。即使逆变器效率从 98% 到 99% 提高 1%，也能使能量密度为 250 Wh/kg 的典型电池所需的电池尺寸减少几百公斤。另一个关键指标是逆变器模块的质量功率密度 (kW/kg)。同样，无源元器件以及转换器有源器件所需的冷却系统也可能又大又重。
在非增压区域中，靠近发动机安装的大功率电子器件面临许多与热和隔离有关的挑战。有源器件的温度需要显著降额，其冷却要求会给整架飞机的冷却系统造成负担。在高空，较低的电场下可能会发生局部放电，因此，半导体和模块封装以及隔离部件设计需要有足够的余量。要确保耐受宇宙辐射，还可能需要对有源器件的电压进行大幅降额。
这些材料的优点可转化为飞机电力电子器件的诸多优势：
导热率更高（特别是 SiC），使得更容易冷却部件，例如用于控制发动机的部件。
系统电压更高，减少了布线中的电阻损耗。对于SiC 来说尤其如此，其商用器件的电压可高达 3.3 kV，并且为了进一步扩大这一范围，人们正在积极进行研究。
高温下的可靠性提高。例如，已经证明 SiC 可在 +200˚C 下工作。
传导和开关损耗较低。带隙增加使得给定额定电压下的漂移区减小，从而改善传导损耗。此外，寄生电容较低能减少开关损耗，同时加快开关式压摆率。
低寄生效应还允许在更高频率下工作。例如，1-5 kV SiC MOSFET 的开关频率可以达到几百 kHz，而Si 的同等拓扑结构可能只有几十 kHz。GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）器件的电压虽然大多 <700 V，但属于单极性，具有更多优势，没有反向恢复损耗，并能在此 100 V的范围内以几 MHz 的频率切换。高频率的最大优势是能够缩小磁铁的尺寸。
图 2 比较了 GaN 和硅基 100 kHz 升压转换器的效率。
图 2：Si 和 GaN 100 kHz 升压转换器的效率比较。（图片来源：Nexperia）
上述所有优点直接导致 SWaP 指标更好且功率密度更高。例如，使用更高额定电压的器件产生更高的直流链路电压，在转换器直流链路电容器中产生更小的电容 RMS 电流，这可以减小其尺寸要求。更高的开关频率允许使用更小外形尺寸的高频平面磁性元件。在传统的电源转换器中，磁性元器件可能占到总重量的 40-50%，随着工作频率更高的 WBG 有源器件的使用，这一比例正在下降。从逆变器的质量功率密度来看，硅基风冷转换器的功率密度约为 10 kW/kg。随着 WBG 的使用，在许多系统演示中，这一指标已经超过了 25 kW/kg，而且理论上，通过优化拓扑结构、直流链路电压和开关频率，可以实现高达100 kW/kg 的密度。
由于功率需求的增加，有源芯片的尺寸也随之增加，使用并行芯片来实现相同的净有效面积，对散热有利。
借助有源-无源混合型滤波器，用放大器来提高低频，可以减少滤波器的净尺寸并提高性能。
3 级或多级转换器拓扑结构允许使用额定电压比直流链路电压更低的器件。这与额定电压在千伏以内的 GaN 器件尤其相关，在这种器件中，串入并出 (SIPO) 配置将输入电压分配到许多器件上，从而允许其使用。
使用 GaN HEMT 也能改善二次电子效应 (SEE)。由于没有空穴，因此可以将二次电子扰动 (SEU) 的风险降到最低，而 Si 和 SiC 上出现栅极断裂(SEGR) 的风险也会降到最低。
总结
小编的话
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