SiC 和 GaN 如何促进商用航空电子的热管理
SiC 和 GaN 如何促进商用航空电子的热管理
当航空航天设计子系统变得越来越小、越来越强大、越来越复杂时，热管理就不能等到事后才加以考虑。特别是，当航空航天应用往往会产生过多的热量时，热管理问题需要在设计过程的一开始就加以解决。
下一代商用飞机所需的功率可能远远超过如今的飞机，因此对于处理密集型的航空航天应用而言，热管理可能是比生成功率更大的问题。
此外，在航空航天嵌入式系统和射频单片微波集成电路 (MMIC) 中，热管理设计限制与尺寸、重量和功耗 (SWaP) 限制交织在一起。因此，如果设计工程师能够减小电源中冷却系统的尺寸，那么影响将是全方位的，因为更低的材料清单 (BOM) 成本可以减少热管理要求。
值得一提的是，热管理有多个维度，包括用作液冷外壳的冷板以及将液体和蒸汽输送到热交换器所在位置的管道系统。此外，还有用于散热的散热器。
然而，本文将重点介绍如何正确选择组件和系统级设计知识，使开发人员能够为商业航空的极端条件创建合适的热管理解决方案。同时还将展示系统工程师如何通过限制散热量来提高射频功率放大器 (PA) 和深度嵌入式飞机系统的性能。
SiC 和 GaN 的热管理
现在，元件层面的热管理更为重要，因为越来越小的芯片几何形状在相同大小的封装中产生的热量越来越多。更多的热量反过来又会降低处理器的速度，尤其是在芯片热点处，热量集中，温度飙升。
然而，在热管理问题达到瓶颈时，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽带隙 (WBG) 半导体来救场了，它们能显著提高航空航天应用的系统效率和功率密度。对于多个器件彼此靠近并产生千瓦级热量的航空航天电子器件来说，一种能够快速将热量排出芯片的半导体材料是一个福音。
首先，由于 WBG 材料的热传导性能要好得多，因此 SiC 和 GaN 器件允许电源设计从主动冷却转向被动冷却。这使得功率系统设计人员能够换掉液体冷却系统。其次，开关频率的提高减小了系统尺寸以及磁体和电容器的总体数量。同时还减少了散热器和外壳中的金属量。
换言之，更好的热管理意味着所需的支持部件更少，而这也意味着损坏的部件更少。例如，较轻的电源需要较小的磁铁，从而减小了散热器的尺寸。在某些情况下，甚至可以取消散热器。
SiC 和 GaN 器件在较高温度下的稳定可操作性对于有 SWaP 限制的航空航天电子设计尤为关键。这些宽带功率器件可以带来更轻的子系统，为航空航天工业降低油耗和热辐射。因此，不出意料，航空航天设计将越来越多地转向 SiC 和 GaN 半导体解决方案，以减小功率转换器的尺寸，满足其必须承载的负载量。
WBG 材料能够将高功率密度与高热传导相结合，使 SiC 和 GaN 器件比其他芯片技术更有效地散热。这使得这些半导体器件能够在给定输出功率的情况下，在较低温度下工作，从而与 GaA 和硅器件相比，具有更高的可靠性、更高的击穿电压和更高的平均故障间隔时间 (MTBF)（图 1）。
图 1：硅、SiC 和 GaN 器件击穿电压额定值的比较。图片来源：Research Gate
航空电子电源的 SiC MOSFET
航空业开始认识到 SiC 半导体在电源系统中的潜在优势。例如，具有低导通电阻的 SiC MOSFET 可降低传导损耗，将温度变化的影响降至最低。这意味着更少的热管理，而反过来又意味着更小、更经济的散热器和更少的昂贵冷却部件。
SiC MOSFET 有望显著降低航空电子电源开关的尺寸和重量，有利于大幅降低油耗和热辐射。它们的高热传导和对电场破坏的高抵抗性确保了嵌入式热管理，以提高航空电子设备的性能。
以 Microchip 子公司 Microsemi 的 1,200-V SiC MOSFET MSC040SMA120B 为例。它有望在航空航天设计中的配电、驱动、空调和电机控制应用中实现更有效的热管理。
对于应用于配电和电机驱动的 SiC 器件而言，栅极驱动调节电路的管理已成为一项至关重要的挑战。MSC040SMA120B SiC MOSFET 具有高沟道迁移率、氧化物寿命和阈值电压稳定性，可应对这一挑战。
Microchip 还在其 MSCSICMDD/REF1 参考设计板中加入了 MSC040SMA120B SiC MOSFET，以用于具有半桥或独立驱动的开关可配置高/低压侧驱动器（图 2）。MSCSICMDD/REF1 是一款高度隔离的 SiC MOSFET 双栅极驱动器，可通过开关进行配置，作为具有单侧导通和死区时间保护的半桥配置进行驱动。
图 2：参考设计有助于实现高度隔离的 SiC MOSFET 双栅极驱动开关，为评估多种拓扑结构的 SiC MOSFET 提供了手段。图片来源：Microchip
用于功率放大的 GaN
GaN 器件和 SiC 半导体一样，可以承受更高的工作温度，并具有高热传导和击穿电压特点。此外，GaN 半导体可以放置在 SiC 基板上，而不是单独放置。SiC 基板的高热传导有利于 GaN-on-SiC 器件用于商业航空航天设计中常见的高电压和大功率应用。
以 65-V GaN 技术为例，该技术正引发新一代雷达系统，为广泛的商业航空航天应用带来新的设计机会。此时，SiC 基板上的 GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT) 器件可提供平稳的散热，以实现长期可靠性。
Wolfspeed 的 CGHV96100F2 是一款在 SiC 基板上制造的 GaN HEMT，具有高击穿电压、高饱和电子漂移速度和高热传导的特点（图 3）。此外，它还提供金属或陶瓷法兰封装，以提高电气和热性能。
图 3：GaN 晶体管支持 100 瓦的输出功率，以及 7.9 GHz 至 9.6 GHz 的工作频率。
图片来源：Wolfspeed
GaN 器件（HEMT 和 MMIC）在航空电子雷达等航空航天设计中越来越受欢迎，因为与硅锗 (SiGe)、砷化镓 (GaA) 和硅基横向扩散 MOSFET (LDMOS) 技术相比，它们通过增加 PA 的电压，提供一种稳定的方法来提高 RF 功率。
飞机设计越来越多地在有效载荷和翼尖端中采用更高功率的 PA，并具有严格的热管理要求。除了促进更高的电压和功率放大外，GaN 器件在开发轻量级解决方案方面也至关重要，这对空间受限的航空航天设计至关重要。
结语
对更高密度的需求不可避免地要求对航空航天嵌入式系统的冷却进行重大改进。注重空间的航空航天工业也要求采用更轻巧的设计，以缓解不可避免的热管理挑战。
如本文所示，当涉及航空电子嵌入式系统中复杂的热管理挑战时，SiC 和 GaN 器件符合要求。然而，这些 WBG 器件仍处于早期阶段，尚未完全商品化。因此，航空航天系统设计人员在选择元器件时必须小心谨慎，以确保他们选择的器件符合其特定的热管理要求。