先进飞机电力电子系统以及仿真、标准和宽带隙器件的影响

与传统硅基技术相比，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽带隙 (WBG) 器件具有更高的效率、更快的开关速度和更好的耐高温能力，正在彻底改变飞机电力电子设备。

这些进步通过提高电力系统性能来支持向更多电动和全电动飞机的过渡，但集成、成本和制造工艺方面的挑战仍然需要大量的研究和开发工作。

传统上，硅一直是各种牵引应用中电力电子设计人员的首选技术，主要利用 IGBT，因为它们在电机驱动电力电子中具有卓越的性能、成本和可靠性。与传统的硅基技术相比，这些先进的器件可以使用更紧凑的封装、更快的开关速度、固有的更低损耗以及更高的耐高温能力。

宽带隙功率半导体领域的快速发展引发了宽带隙器件在各个领域的潜在应用激增。这些应用包括汽车、航空航天、牵引、电网相关活动和充电系统。WBG 器件有望在性能和效率方面带来革命性的变化，超越目前使用的硅器件的能力。然而，在这些令人兴奋的进步中，仍然存在许多挑战，需要研究人员和行业共同努力来解决这些挑战。

例如，电动汽车是交通运输的未来，它需要高温运行和高功率密度，而传统硅无法满足这一要求，因为它已经达到了增长的平台期。尽管这个问题可以通过集成氮化镓和碳化硅等能够承受高电流和电压的宽带隙器件来解决，但仍需要更好的制造工艺和研究。

另一方面，飞机工业不断将注意力集中在更多电动飞机上，该飞机专门致力于推进电力系统的制造和设计，并用驱动器取代液压和机械部件。这彻底改变了飞机工业，将其电力网络扩展到更高的电力要求，例如电动泵、机翼防冰系统、风扇燃油泵和水泵、电动执行器以及大量其他传感器和安全系统。图1显示了最先进的多电动飞机电力网络的概述，其中包括向交流总线提供发电机的主飞机发动机。

飞机电力电子子系统和宽带隙功率器件的优势

在典型的商用飞机中，几乎所有系统都需要电力装置，如图 1 所示，其中直流和交流配电网络均配有电力电子转换器，将飞机发电机的能量转换为高压直流电和直流电。随着飞机电气系统对电力的需求不断增加，对更高效的变频发电机的需求不断增加，因为将原动机连接到感应电机的传统方法其效率最高可达 80%。

深入分析表明，碳化硅以启动发电机的形式集成到飞机电力系统中时，可以实现交直流整流，提高效率和频率。另一方面，整流器单元和变压器整流器单元在飞机电子系统中至关重要，因为它们提高了可靠性和效率，并降低了高频下的谐波效应。结合简单整流器和自耦变压器来实现具有可接受的电流和纹波谐波的交流/直流整流的传统方法已经过时且效率低下，因为它们广泛使用滤波器组件。

为了克服这个问题，SiC 二极管和 GaN 开关器件的合并已被证明是有用的，因为即使使用较慢的 SiC 二极管，这些器件也能提供更快的开关和更高的效率。

尽管飞机电源系统已降压至较低电压网络，但较低额定电压设备仍需要全面的 DC/DC 转换，这些设备在整个飞机中可能多种多样，并且可能单独产生浪涌电流和谐波电流。

从多电动飞机到全电动飞机的转变需要增加对动态控制燃料电池或电池组的需求。先进且高度可靠的 DC/DC 转换器，特别是那些利用宽带隙器件的 DC/DC 转换器，将在这一转变中发挥至关重要的作用。

对开关行为的深入理解不仅成为最大化转换器效率的标准，而且成为预测动态开关波形和预测与较高开关频率相关的电磁兼容性效应的标准。由于宽带隙器件的换向时间最短，因此需要精确的方法来测量和比较这些特性，从而最终决定电力系统的整体效率和可靠性。此外，碳化硅器件承受高温运行的能力是一个关键因素，在飞机应用中尤其有价值。

宽带隙器件的影响

宽带隙器件由于其出色的热和电特性而在电力电子应用中越来越受欢迎，使其适合飞机电力电气系统。然而，正确设计这些器件、将它们与其具体特性进行比较和集成至关重要，而且，简单地用 SiC 或 GaN 器件替代硅器件是不够的，需要仔细考虑。SiC 与 Si 器件结构相似，有助于制造过程中更平稳的过渡。这些设备的主要问题之一是目前晶圆的生产不发达且效率低下。

尽管存在这些挑战，SiC MOSFET 和二极管仍在生产中，为电力电子设计人员提供了开关频率的可行选择。虽然碳化硅晶圆相对昂贵，但由于其优异的导热性，有利于有效散热，其成本比硅更合理，使其成为开发下一代电力电子模块和系统的绝佳选择。在宽带隙材料中，SiC器件通常可以承受高达1200V的更高电压，超过了在高压领域落后的GaN。

尽管如此，GaN 在高效、高速转换器方面拥有巨大潜力，特别是对于低压消费应用。这在 LED 照明中尤其明显，其中成本和可靠性的限制因素通常来自电源转换器，而不是 LED 本身，电源转换器可能变得过热、效率低下、体积庞大且热性能较差。

从本质上讲，飞机电子和电力系统中的宽带隙器件的未来是光明的，因为行业期待更好的封装方法并控制电路内的谐波和寄生。