高压硅碳化物在航空航天电力系统中的应用

为什么碳化硅在航空航天应用中表现出色

在高压碳化硅在航空航天电力系统中的应用方面，碳化硅（SiC）在多个关键方面优于传统硅电力电子。工程师们问：为什么选择碳化硅而非硅用于航空航天？答案在于其优越的材料性能，完美符合航空航天的需求。

碳化硅材料优势

• 带隙更宽： 碳化硅的带隙约为3.26电子伏特，而硅为1.12电子伏特。这使其能够承受更高的电压和温度。
• 更高的击穿电压： 碳化硅器件能承受远超硅极限的电压，非常适合高压航空航天系统。
• 优越的热导率： 碳化硅的热导率（约4.9 W/cm·K）大约是硅的三倍，意味着更好的散热性能。
• 更快的开关速度： 实现更高频率的工作，缩小变换器体积，改善响应时间。

航空航天电力系统的主要优势

• 更小更轻的电源变换器： 更高的效率和功率密度降低了体积和重量——对飞机至关重要。
• 更高的工作温度： 碳化硅器件在环境温度超过200°C时仍能可靠工作，无需笨重的冷却系统。
• 更低的导通和开关损耗： 提高整体系统效率，减少冷却系统的复杂性。
• 在高压下的效率提升： 处理现代航空航天电力架构中常见的高电压。

比较硅和碳化硅：航空航天的关键参数

参数	硅 (Si)	碳化硅 (SiC)
带隙	1.12电子伏特	3.26电子伏特
击穿电压	~600 V（典型MOSFET）	1200 V+（可用器件）
热导率	~1.5瓦每厘米·开尔文	~4.9 W/cm·K
开关频率	高达 100 kHz	100 kHz – 500 kHz+
功率密度	中等	高
最大工作温度	~150°C	200°C+

碳化硅在这些领域的明显优势使其在先进航空航天电力分配中不可或缺——以及在电动飞机推进系统中的碳化硅应用，今天和未来。

对于旨在实现更轻、更高效、更电气化的航空系统的中国航空航天项目，集成高压碳化硅MOSFET和碳化硅电源模块有助于在恶劣环境条件下提升可靠性和性能——同时支持航空可持续发展目标。

现代航空航天电力系统中的高压需求

飞机电气系统已从传统的28V或270V直流母线迅速发展到更高的电压——如±540V、800V+，甚至千伏（kV）范围。这一变化支持先进的分布式电动推进和其他高功率航空航天系统。

为什么更高的电压很重要

• 在相同功率输出下减少电流，缩小导体尺寸和重量
• 更轻的电缆 改善整体飞机重量和燃油效率
• 更高效率 在推进系统、执行器和次级电力分配中的应用

高压采用的关键驱动因素

电压等级	优势	航空航天应用
28V / 270V 直流电	既定标准	传统控制系统
±540V	电流减小，更轻便	混合动力推进平台
800V+	更高的功率密度	电气化环境控制系统
千伏范围	高功率能力	高功率雷达与任务系统（国防）

包括混合动力推进单元、电气化环境控制系统以及用于国防飞机的先进雷达系统。这些系统对能高效处理高电压的电力电子设备有较高要求——使碳化硅功率电子器件等宽禁带半导体成为航空航天中的关键。

电压应力和功率密度的提升凸显了高压碳化硅MOSFET在下一代航空航天电力架构中的日益重要性。

高压碳化硅在航空航天中的关键应用

高压碳化硅（SiC）由于其优越的电气和热性能，在多个航空航天电力系统中发挥着关键作用。

• 电动和混合电动推进： 基于碳化硅的逆变器和电机驱动为推进器和发电机提供更高效率的动力，使电动飞机推进系统的飞行时间更长、燃料消耗更少。这些用于航空的碳化硅逆变器相比传统硅材料具有更快的开关速度和更低的损耗。
• 电力分配与管理： 高压直流-直流转换器和固态电源控制器依赖碳化硅技术，能够处理更高电压并具有更高的功率密度。碳化硅器件还支持航空航天所需的容错架构，提升系统整体的可靠性和安全性。
• 辅助和次级电源系统： 轻量化的碳化硅电源供应器越来越多地用于航空电子设备、执行器和环境控制系统，有助于减轻整体系统重量并提高电力效率，适用于更电气化的飞机电力系统。
• 新兴应用： 碳化硅技术的进步正在扩展到电动垂直起降（eVTOL）平台、超音速飞行器以及空间相关的电力处理系统，例如月球表面电力系统，这些应用对在恶劣环境中高可靠性有较高要求。

多家航空航天公司已通过混合动力飞机的飞行测试成功展示了碳化硅逆变器，证明其在实际条件下的价值。关于这些先进电源模块的更多信息，请参考行业领导者提供的详细电力转换系统解决方案，突出高压碳化硅MOSFET模块在航空航天中的性能优势和可靠性。

高压碳化硅在航空航天中的技术优势与性能提升

高压碳化硅（SiC）电力电子在航空航天电力系统中带来了显著的性能提升。以下简要介绍碳化硅如何推动效率、尺寸缩减和可靠性：

效率提升

• 导通损耗更低 和 更快的开关速度 碳化硅器件的热生成减少。
• 这意味着 更小的冷却系统 以及更少的热管理重量。
• 例如：碳化硅MOSFET如 1200V碳化硅功率MOSFET 在降低开关损耗方面表现出色，提升整体转换器效率。

尺寸与重量减轻

• 更高的功率密度实现紧凑的动力模块。
• 电力转换器体积缩小，简化系统设计，降低飞机重量。
• 这对于电动飞机和eVTOL平台至关重要，每一磅都很重要。

在恶劣环境中的可靠性

• 碳化硅器件能耐受极端温度（200°C以上）、强烈振动和高辐射水平。
• 先进的缓解技术提升辐射耐受性，这对于空间相关的航空航天应用至关重要。
• 这种可靠性支持在苛刻的航空和防务环境中的长期运行。

系统级优势

综合优势带来：

参数	碳化硅的影响
元件数量	减少（架构更简洁）
母线电压	可实现更高电压
热管理	冷却尺寸/重量减轻
整体飞机效率	由于能量损失减少而提高

通过集成高压碳化硅动力模块，航空航天系统实现了简化、更轻、更高效的架构——使碳化硅成为下一代飞机动力系统不可或缺的材料。

为了优化控制和性能，将碳化硅器件与先进的 门极驱动核心 可以进一步增强系统的可靠性和切换性能。

高压硅碳（SiC）实现中的挑战与解决方案

在航空航天中应用高压硅碳功率电子器件并非没有挑战。其中最大障碍之一是门极驱动的复杂性，因为SiC器件需要精确的电压控制以高效切换而不损坏器件。此外，电磁干扰（EMI）在SiC MOSFET的高切换速度下可能变得更加明显，给敏感的航空电子系统带来风险。

封装符合严格的航空航天资格标准的SiC模块是另一个重大挑战。这些模块必须能够应对涉及振动、极端温度，有时还包括空间辐射暴露的恶劣环境。说到辐射，关于高压SiC功率器件的辐射效应仍然是一个关注点，尤其是在深空或高海拔任务中，尽管在辐射耐受SiC半导体方面不断取得进展。

为了克服这些挑战，行业正专注于控制EMI和改善热管理的先进模块设计。严格的测试协议和遵循行业资格标准有助于确保在航空航天条件下的可靠性和性能。功率循环数据和寿命模型的显著进展也是关键，有助于预测SiC模块在苛刻应用中的耐用性。

最新一代1200V以上高压SiC MOSFET显示出性能和可靠性提升，使其在航空航天电力系统中的应用日益可行。由领先供应商提供的集成门极驱动器等解决方案，有助于简化门极驱动的复杂性并缩短开发时间，进一步加快SiC在航空电子中的应用。例如，探索先进的门极驱动设计，如在 即插即用门极驱动模块中，可以有效应对高压SiC系统中的一些集成挑战。

高压SiC在航空航天中的未来展望

高压SiC功率电子器件将在塑造未来航空航天电力系统中发挥重要作用。一个明显的趋势是它们在可持续航空燃料（SAF）混合平台、全电动区域飞机以及城市空中交通解决方案（如eVTOL）中的逐步集成。这些应用对高效、轻量化和耐高温的电力电子器件提出了要求，使SiC器件成为理想选择。

行业动力强劲，正在开发专注于更高电压等级和增强可靠性的第四代和第五代SiC器件。航空航天企业与半导体制造商的合作正在加快认证流程，这对于在安全关键的航空航天系统中更广泛的应用至关重要。辐射耐受SiC半导体的进展也为空间和国防电气化打开了大门，在这些领域中，设备在恶劣条件下的坚固性是必须的。

最终，高压SiC技术支持推动零排放航空，通过大幅降低能耗和排放。这意味着飞机更轻、任务更长、天空更清洁——这些目标在中国的航空航天行业及其对可持续创新的承诺中具有深远意义。

关于这些发展中关键的先进SiC组件，探索高压SiC功率模块，如 1700V 1200A高压IGBT功率模块，它们支撑着高效且耐用的航空航天电力电子。