技术|航空和航天应用需要怎样的SiC功率器件？

碳化硅芯观察 2024-09-12 16:20

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飞机、航天和卫星系统的功率转换要求一直在快速发展。

趋势是更小、更轻、更高效的转换器提供更高的功率和电压水平。宽禁带半导体（例如碳化硅和氮化镓）在功率转换器中具有多种优势，例如更高的功率密度和效率，因此非常适合太空应用。需要仔细考虑这些 WBG 设备的抗辐射性。

在本文中，我们将总结在飞机和航天功率转换应用中使用 SiC 设备的优势和挑战。主要参考 CoolCAD Electronics 团队在 PCIM Europe 2024 上的演讲。

飞机和航天电源转换器的趋势和要求

尺寸、重量和功率损耗（SWaP）

较低的 SWaP 指标意味着更低的燃料消耗、更大的航程和有效载荷，以及更简单、更可靠的系统。以全电动飞机 (AEA) 为例。在这里，电池系统可能是最重的组件。对于典型的 250 Wh/kg 电池，只需将逆变器效率提高 1%，就可以减少数百公斤的电池重量。

逆变器模块本身以及无源组件和冷却模块的尺寸和重量的减小，都可以让更大比例的飞机/卫星重量用于有效载荷或燃料，从而降低成本和/或改善航程。

提高功率水平

目前，国际空间站等先进航天器的功率水平限制在 100 至 150 千瓦左右。月球门户和计划中的火星任务等探索任务需要高功率水平。

例如，大多数卫星和机器人深空任务中使用的太阳能电力推进 (SEP) 系统的功率水平趋势已从约 5 千瓦增加到 30 千瓦水平，预计对于某些计划中的火星探索任务，功率水平将在 100 至 300 千瓦范围内。

SEP 系统的更高功率可实现更快、更轻松的轨道转移和机动。对于飞机而言，计划中的多电动飞机中的电源转换器功率范围为数十至数百千瓦，而 AEA 的功率可能会攀升至兆瓦范围。

总线电压升高

现代飞机的直流总线电压通常为±270 V。与电动汽车电压推升至 800 V 类似，飞机的趋势是将电压推升至千伏范围，尤其是在混合动力推进和 AEA 系统中。减少电缆损耗是一项关键优势。

粗略地说，导体的体积与相同功率的额定电压的平方成反比。这意味着从 100 V 过渡到 300 V 将导致电线束重量减少 9 倍，并大幅降低整个系统的重量。此外，更高的直流链路电压会在转换器直流链路电容器中产生较小的 RMS 电流，从而可以降低其尺寸要求。

适用于航天和航空应用的 SiC 器件

SiC 功率器件用于许多地面功率转换应用，例如电动汽车中的牵引逆变器、可再生能源发电、存储和配电转换器、工业电机驱动器等。与传统的硅功率器件相比，SiC 具有许多优势：

电压更容易扩展到超过 1kV 的电压，并且传导和开关损耗的品质因数极高。对于使用更高电压的系统，更高效的高压 SiC 器件允许用更少的模块取代串联或并联的低压硅模块，从而简化电路复杂性并提高系统可靠性。
在更高频率下切换的能力使得可以使用更小的无源元件，例如高频平面磁性元件，从而提高功率密度。
SiC 的高热导率及其在高温下的可靠运行为其在恶劣的太空环境中的使用创造了更广阔的安全操作区域，同时简化了冷却要求。

SiC 功率器件的抗辐射能力

对于用于太空应用的任何半导体，抗辐射性都是需要考虑的一个关键因素。这可能涉及可预测的辐射暴露（例如来自环绕地球的范艾伦辐射带）以及偶尔发生的不可预测事件（例如太阳耀斑）。要求也因用途而异。

例如，用于寿命较短的低地球轨道星座的系统可能使用耐辐射部件，其资格要求低于设计寿命更长的地球静止和深空任务。下面，我们总结了一些通常在功率器件上进行的辐射测试，并重点介绍了 CoolCAD Electronics 在其 SiC 器件上展示的结果。

总电离剂量 (TID) 测试

TID 表示部件所受的累积剂量，以千拉德为单位。在测试实验室中，通常使用 Co 60源来生成用于此测试的伽马射线。辐射产生的电子-空穴对可以在氧化物或氧化物/半导体界面处积累。

典型的反应是相对不动的空穴产生正电荷，从而导致 NMOS 功率器件的阈值电压 (V th ) 降低。SiC 的电离能较高，而生长在 SiC 上的氧化物的空穴捕获效率较低，使得 SiC 器件对 TID 的耐受性更强。图 1(a) 比较了SiC 和硅MOSFET在相同栅极氧化物厚度 50 nm 的情况下的 V th偏移。

SiC 数据基于实际测量，而硅数据是模拟的。图 1(b) 展示了 CoolCAD 最新 SiC MOSFET 的出色性能。TID 性能的改进归因于更薄的栅极氧化物，同时仍然满足所有的可靠性和最大栅极电压规格。

图 1：(a) SiC 和硅 MOSFET 的 Vth 偏移与 TID 的比较；
(b) CoolCAD 最新 SiC MOSFET 的 Vth 偏移（来源：CoolCAD Electronics）

重离子单粒子效应 (SEE)

重离子辐射损伤通常用线性能量转移 (LET) 来表征，单位为 MeV-cm 2 /mg。LET 是重离子在其穿透深度内转移到半导体的差分能量的量度。产生的电离痕迹可能导致不同的故障模式。

单粒子烧毁 (SEB) 和单粒子栅极破裂 (SEGR) 是半导体区域和栅极氧化物内的灾难性故障。在 SEB 的情况下，寄生双极器件（源极/主体/漏极）可以打开，导致雪崩倍增和局部高温造成烧毁。在 SEGR 的情况下，栅极氧化物处的高电场是罪魁祸首。在较低的漏极偏置下，非灾难性损坏表现为单粒子漏电流 (SELC)。

SiC 器件的电场比硅器件高得多，因此更容易受到 SELC、SEGR 和 SEB 的影响。2 在低至额定器件电压 10% 的偏置电压下，就会发生 SELC。在低至额定器件电压三分之一的漏极偏置电压下，就会发生灾难性的 SEB 损坏。这种偏置依赖性严重限制了器件的抗辐射安全工作区。

例如，商用 1,200 V SiC 功率器件的烧毁阈值约为 500 V。保守的 50% 降额意味着最大安全工作偏置仅为 250 V。美国宇航局最近的太空电力和储能技术路线图指出，目前最先进的太空抗辐射配电组件限制在 <200 V。3因此，上一节中概述的对更高总线电压的需求推动了将此抗辐射安全区提高到 >300 V。

CoolCAD 致力于实现重离子 LET 耐受性至少为 40 MeV-cm 2 /mg，通量至少为 10 5离子/cm 2，最高偏压水平为 300-V。图 2 显示 CoolCAD 的设备在 LET 为 20 MeV-cm 2 /mg 和通量为 10 5离子/ cm 2时可实现大于 1 kV 的电压，且不会造成灾难性损坏。在更高的 LET 下，烧毁阈值略低于 1 kV。

图 2：受 SEE 影响的 SiC MOSFET 的漏极漏电特性。
此处使用的 LET 为 20 MeV-cm2/mg，通量为 105 离子/cm2。
对于所示的运行次数，这些 1,200-V 器件的漏极偏压以 100-V 为增量从 700 V 增加到 1 kV。（来源：CoolCAD Electronics）

中子辐射损伤

中子对电子设备的威胁最大，因为它们相对较重，具有较大的捕获截面和很强的穿透性。与重离子类似的烧毁效应是其故障机制。在硅功率器件中，寄生双极器件被激活。然而，在 SiC 中，碳的存在会产生额外的故障机制。较轻的碳原子的较大空间连锁效应会在较低的漏极偏压下产生故障尾部，如图 3(a) 所示。CoolCAD 已通过工艺和设计变更展示了其设备在这种故障模式中的改进。这在图 3(b) 中显示，其中改进后的设备的蓝点表现出较低的 FIT 率。由于在 750-V 偏压下没有发生故障，因此所示的三角形代表故障的上限。

图 3：(a) 硅和 SiC 器件中子辐射故障 FIT 率比较；
(b) 通过工艺和设计变更提高中子辐射硬度，以蓝点表示（来源：CoolCAD Electronics）

位移损坏

SiC 中原子键更强，这使其在入射粒子（如质子）对晶格原子的位移方面比硅更具优势。SiC 中的位移阈值超过每平方厘米 10 12个质子或中子，高于硅，因此粒子通量泄漏的增加较少。

SiC 器件表现出良好的 TID 和位移损伤耐受性。它们的 SEE 阈值相对较低，因此需要显著的电压降额。虽然 SiC 功率器件对大气中子表现出极好的故障率，但它们的尾部分布延伸到较低的偏压。SiC 功率器件的器件设计和工艺改进可以改善这些辐射硬度指标，有可能使它们用于未来太空和飞机应用所需的更高功率和更高电压的电源转换模块。

参考

1 Akturk 等人（2024 年）。“碳化硅功率器件在航天器和飞机中的应用。”PCIM Europe。2 Lauenstein 等人（2021 年）。“空间辐射对 SiC 功率器件可靠性的影响。”IEEE 国际可靠性物理学研讨会 (IRPS)，第 1-8 页。
3美国国家研究委员会。（2012 年）。“ NASA 空间技术路线图和优先事项：恢复 NASA 的技术优势并为太空新时代铺平道路。”华盛顿特区：美国国家科学院出版社。

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