传统的直流/直流和直流/交流逆变器及转换器在关键且极具挑战性的应用中，例如下一代卫星、无人机和电动飞机，已被证明效率低下或性能不足。高密度功率模块已被证明是克服这些挑战并实现高可靠性、高功率密度和高灵活性的有效解决方案。第三代
宽禁带（WBG）半导体正为所有航空航天电源应用带来前所未有的推动力。碳化硅（SiC）正在引领航空航天电源进入一个新时代，其特点是更高效、更小巧、更轻便的电源解决方案。
碳化硅的特性：
虽然碳化硅的特性早在19世纪末就已被人们所知，但这种宽禁带材料直到最近才被用作半导体。与传统的硅基功率器件相比，碳化硅MOSFET具有更高的击穿电场强度（3–5 MV/cm，几乎是硅的10倍）和大约是硅的三倍的带隙（3.26 eV 对比 1.11 eV）。此外，由于碳化硅的热导率比硅高约三倍（4.9 W/cmK 对比 1.5 W/cmK），其热管理性能也得到了提升；同时，其比电阻远低于硅（室温下1200V击穿电压时，碳化硅的比电阻为0.3 mΩ/cm² 对比 400 mΩ/cm²）。商用碳化硅功率器件的导通电阻（RDS(on)）可以比具有相同击穿电压的同等硅器件低300到400倍。
与硅基MOSFET相比，硅基MOSFET能够在更高的开关频率下工作，并具有更低的导通损耗和功率损耗，从而允许在电源系统中采用更小的无源元件，并实现更紧凑、更轻便的电源解决方案。这反过来又使得在空间受限、高功率的应用领域（例如航空航天领域）中，可以用SiC MOSFET取代现有的IGBT器件。
碳化硅在航空航天领域的应用：
碳化硅MOSFET的栅极驱动电路需要较高的正栅极电压（约20V），并且根据应用的不同，还需要-2V至-6V的负栅极关断电压（用于提高dV/dt抗扰度并实现最快的关断速度）。凭借低输出电容和低导通电阻，碳化硅器件在电源、三相逆变器、放大器和电压转换器（AC/DC和DC/DC）等开关器件设计中极具吸引力。使用碳化硅器件还能显著降低许多航空航天电源应用中使用的磁性元件（变压器和电感器）的成本和尺寸。
全电飞机（MEA）概念在航空航天领域已变得非常流行，其目标是将以前由机械、液压和气动方式驱动的辅助飞机系统电气化。MEA方案具有诸多显著优势，例如更高的效率、更低的成本和更高的可靠性。
因此，新型功率器件正被设计以满足MEA（多用途航空器）的要求，正如需要电子转换器才能运行的AC/DC（交流/直流）电源系统一样。MEA
电源系统所需的多种功率转换功能由DC/AC转换器执行，例如发动机启动、泵和发电机控制以及飞行控制执行器。为了满足这些苛刻的要求，需要具有高功率密度和高开关频率的DC/AC转换器。效率也是一个关键因素，因为它可以减小转换器的尺寸和重量，从而简化散热管理。由于SiC（碳化硅）功率器件具有低导通损耗和开关损耗，它们正逐渐成为替代飞机电源转换器中硅基IGBT和MOSFET的可行候选器件。
迈向清洁可持续航空：
整个航空航天业的目标是实现零排放，因此正在开发能够减少温室气体排放的新技术，并推广使用其他可持续燃料。
在欧洲，由欧盟委员会和欧洲航空航天业组成的“清洁天空联盟”致力于开发能够减少二氧化碳、氮氧化物和噪声排放的更清洁的航空运输技术。国际航空运输协会（IATA）也在牵头开展类似的倡议，并于去年10月通过了一项决议，要求全球航空运输业在2050年之前实现净零碳排放。
为了满足这些严苛的要求，气动和液压控制系统必须逐步被高效的电动和电子控制系统所取代。更高的效率是降低燃油消耗、重量和尺寸的关键因素。
Microchip
Technology 近期推出了一系列小尺寸、轻量化的 AC/DC 和 DC/DC 电源模块，这些模块采用碳化硅 (SiC) 技术，实现了更高的功率转换效率。BL1、BL2 和 BL3 系列功率范围从 100 W 到 20 kW，由 Microchip Technology 与欧洲清洁天空联盟 (European Clean Sky Consortium) 合作开发，旨在满足航空业日益严格的洁净度要求。这包括符合 RTCA DO-160G 测试程序（“飞机设备环境条件和测试程序，G 版”）的要求。符合 DO-160G 标准的设备能够在所有飞行条件下可靠、精确地运行。
新型电源模块（图 1）采用改进的结构，与采用金属底板和散热器的传统解决方案相比，重量减轻了 40%，成本降低了 10%。此外，其低电感、低高度封装可以直接焊接在印刷电路板上，从而加快开发速度并提高可靠性。
图 1：低高度、轻量化的 BL3 电源模块。
该系列器件是首款获得航空航天应用认证的低剖面、轻量化功率模块，包含三种尺寸的功率模块（BL1、BL2 和 BL3）。标准配置集成了全 SiC 1.2 kV 拓扑结构，可选配续流二极管。这些模块提供 75 A 和 145 A 的 SiC MOSFET、50 A 的 IGBT 以及 90 A 的整流二极管输出。此外，还提供基于 IGBT 的定制解决方案，电压范围从 700 V 到 1700 V。根据不同版本，这些模块支持多种拓扑结构，例如全桥、非对称桥、相支路、双共源、降压和升压。
图 2 显示了 BL1 功率模块（1200 V，79 A，典型导通电阻 RDS(on) 25 mΩ）支持的相支路拓扑结构。 SiC 功率 MOSFET 的突出特点是导通电阻 (RDS(on)) 低，开关频率高；而 SiC 肖特基二极管则具有零反向和正向恢复以及与温度无关的开关特性。
图 2：BL1 功率模块支持的相分支拓扑结构。.
BL2 和 BL3 功率模块支持图 3 所示的全桥拓扑结构。这些模块的特点是：漏源电压为 1.2 kV，室温下连续漏极电流高达 150 A（脉冲漏极电流高达 300 A），漏源导通电阻低至 16 mΩ。SiC MOSFET 采用开尔文源极，便于控制；SiC 肖特基二极管也具有零反向和正向恢复特性。最大功率为 560 W，最大栅源电压为 -10 V（关断）和 24 V（导通）。
图 3：BL2 和 BL3 模块中提供的全桥拓扑结构（双相分支）。
验证测试：
所有 BL1、BL2 和 BL3 功率模块均已通过 Microchip 的验证测试，以证明其适用于航空航天应用，并满足所需的可靠性、性能和效率水平。测试程序基于 RTCA DO-160G 标准，并符合民用航空环境条件，包括在整个电压、电流和温度范围（-55°C、25°C 和 125°C）内进行参数测试、局部放电测试（1200 V AC 下最大 10 pC）、高压测试（3 kV AC）和绝缘电阻测试（500 V DC 下 >100 MR）。
这些测试由 Microchip Technology 执行：
• 高温栅极偏置测试。该测试在 VGS = 20 V 和
VGS = -8 V 下进行，目的是验证器件性能不受高温栅极偏置的影响。在结温为 175°C 时，高温栅极偏置 1000 小时前后 Vth 的测量结果显示变化可忽略不计。
• 温度循环测试。该测试旨在评估器件在极端温度（包括高温和低温）下的耐受性。经过 1000 次循环后进行的 X 射线和扫描电子显微镜分析（见图 4）表明，焊点或基板层面未出现任何可能影响器件性能的退化。
• 振动和冲击测试。将功率模块连接到安装在振动发生器上的电路板后，在所有三个轴向上检查了振动和冲击水平。
• 斩波模式偏置 (CMB) 测试。该测试旨在验证器件在高温斩波模式下工作的稳定性。测试条件如下：VGS = -5 V，开关频率 = 20 kHz，占空比 = 0.5，温度 T = 150°C，测试持续时间 = 1000 小时。图 5 显示了 1000 小时后的 CMB 测试图（200 V/div）。
• 局部放电。该测试旨在验证测试器件的绝缘状况，对于在高电压和高 dV/dt 下工作的 SiC 功率模块至关重要。
• 热仿真和测量。热仿真确定测试器件的热阻和热阻抗值，而热测量则验证仿真中计算出的结与散热器之间的热阻。测试开关预先封装了改进的封装（见图 6），激活后，恒流发生器使结温升高，从而计算热阻。测量结果与热仿真结果相符。
图 4：1000 次温度循环前后的 X 射线分析。
图 5：CMB 测试图。.
图6：热测量配置。Microchip
执行的所有测试均已通过，从而证明了这种低剖面、轻量化电源模块的可靠性，以及该技术适用于飞机上最苛刻的应用。
作者：Alain Calmels，微芯科技公司设计工程师
