Halbleiter mit großer Bandlücke in Luft- und Raumfahrt- sowie Satellitenanwendungen

Halbleiter mit großem Bandabstand (Wide Band Gap, WBG) bieten mehrere Vorteile bei der Leistungsumwandlung, z. B. eine höhere Leistungsdichte und einen höheren Wirkungsgrad, während gleichzeitig die Größe und das Gewicht des Systems durch eine höhere Schaltfrequenz reduziert werden, was die Verwendung kleinerer passiver Komponenten ermöglicht. Diese Vorteile können in der Luft- und Raumfahrt und bei Stromversorgungssystemen von Satelliten, wo Größe und Gewicht von entscheidender Bedeutung sind, sogar noch wichtiger sein. In diesem Artikel untersuchen wir die relativen Vorteile von WBG-Bauteilen wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) in diesen Anwendungen.

Leistungswandlung in Flugzeugen

Da sich die Welt auf eine umweltfreundlichere Zukunft zubewegt, hat sich die Aufmerksamkeit auf Methoden zur Verringerung der Emissionen von herkömmlichen gasbetriebenen Flugzeugen konzentriert. Einige der in Betracht gezogenen Ansätze sind:

• Mehrelektrische Luftfahrzeuge (More Electric Aircraft, MEA): Hier geht es darum, einige der mechanisch oder hydraulisch angetriebenen Triebwerkszubehörteile durch elektrisch angetriebene Komponenten zu ersetzen (z. B. die Kraftstoffpumpen).
• Mehrelektrische Antriebe (More Electric Propulsion, MEP): Hier werden elektrische Generatoren zur Hybridunterstützung der Gasturbine eingesetzt, wodurch der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.
• Vollelektrische Luftfahrzeuge (All Electric Aircraft, AEA): Ein ehrgeizigerer Plan, bei dem das Luftfahrzeug komplett elektrisch betrieben wird. Dies würde mit kleineren Flugzeugen wie Hubschraubern, UAM-Fahrzeugen (Urban Air Mobility, Städtische Luftmobilität) und VTOL-Flugzeugen (Vertical Take-off and Landing, Senkrechtstart und -landung) beginnen, wie sie für den Einsatz als Lufttaxis geplant sind.

In modernen Flugzeugen hat der erhöhte Stromverbrauch eine Erhöhung der von der Gasturbine erzeugten Eingangsspannung auf 230 V_AC erforderlich gemacht. Diese Spannung wird durch einen Gleichrichter in eine Zwischenkreisspannung von ±270 V_DC umgewandelt, die auch als HVDC-Spannung bezeichnet wird. Mit DC/DC-Wandlern wird dann eine Niederspannungsgleichspannung von 28 V erzeugt, mit der Geräte wie die Flugdeckanzeige, die DC-Kraftstoffpumpen usw. betrieben werden. Genau wie bei den EV-Ladegeräten für Autos, wo jetzt Systeme für 800 V entwickelt werden, geht der Trend bei Flugzeugen dahin, die Spannungen zu erhöhen, um Verkabelungsverluste zu verringern. In Flugzeugen wird die Gleichspannung wahrscheinlich in den kV-Bereich gedrängt werden, insbesondere bei Hybridantrieben und AEA-Systemen. Die Leistung von MEA-Stromrichtern kann zwischen 10 und 100 kW liegen, während sie bei Hybridantrieben und AEA-Stromrichtern im Bereich von mehreren MW liegen muss.

Zentrale Anforderungen und Herausforderungen für die Leistungselektronik in Flugzeugen

• Größe, Gewicht und Leistungsverlust (SWaP): Niedrige SWaP-Kennzahlen sind entscheidend, da Kraftstoffverbrauch, Reichweite und Gesamtwirkungsgrad direkt damit zusammenhängen. Nehmen wir das Beispiel eines AEA. In diesem Fall ist das Batteriesystem die schwerste Komponente des Stromerzeugungssystems. Die erforderliche Batteriegröße hängt von der Leistungsfähigkeit des Wechselrichters ab. Selbst eine Verbesserung des Wirkungsgrads des Wechselrichters um 1 % von 98 % auf 99 % kann die erforderliche Batteriegröße für eine typische Batterie mit einer Energiedichte von 250 Wh/kg um mehrere 100 kg verringern. Die gravimetrische Leistungsdichte des Wechselrichtermoduls (kW/kg) ist eine weitere wichtige Kennzahl. Auch die Größe und das Gewicht der passiven Komponenten sowie das Kühlsystem, das für die aktiven Geräte des Konverters erforderlich ist, können erheblich sein.
• Hochleistungselektronik, die in der Nähe des Motors in drucklosen Bereichen installiert ist, steht vor vielen Herausforderungen in Bezug auf Hitze und Isolierung. Aktive Geräte müssen in Bezug auf die Temperatur deutlich heruntergeregelt werden, und ihr Kühlbedarf kann das Kühlsystem des gesamten Flugzeugs belasten. In großer Höhe können Teilentladungen bei geringeren elektrischen Feldern auftreten, weshalb die Halbleiter- und Modulgehäuse sowie die Isolationskomponenten mit ausreichendem Spielraum ausgelegt werden müssen. Die Gewährleistung der Toleranz gegenüber der kosmischen Strahlung kann auch eine erhebliche Herabstufung der Spannung für die aktiven Geräte erfordern.
• Qualifikations- und Zuverlässigkeitsstandards: Die DO-160 ist eine Regel für die Prüfung von Avionik-Hardware in verschiedenen Umgebungen. Nur sehr wenige handelsübliche Komponenten (COTS) sind dafür zertifiziert, so dass OEMs und Flugzeughersteller ihre Verwendung qualifizieren und sicherstellen müssen.

Vorteile beim Einsatz von Leistungshalbleitern mit großer Bandlücke (WBG) in der Luft- und Raumfahrt und bei Satelliten

WBG-Materialien wie SiC und GaN bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Bauelementen auf Siliziumbasis (Si), wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Vergleich der Materialeigenschaften von Si, SiC und GaN. (Bildquelle: Researchgate)

Diese Materialvorteile bringen viele Vorteile für die Leistungselektronik in Flugzeugen mit sich:

• Die höhere Wärmeleitfähigkeit, insbesondere von SiC, erleichtert die Kühlung von Bauteilen, wie sie zur Steuerung des Motors verwendet werden.
• Eine höhere Systemspannung verringert die ohmschen Verluste in der Verkabelung. Dies gilt vor allem für SiC, wo kommerzielle Komponenten für bis zu 3,3 kV verfügbar sind, wobei die Forschung darauf abzielt, diesen Bereich weiter auszubauen.
• Verbesserte Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen So wurde zum Beispiel der Betrieb bei +200˚C in SiC nachgewiesen.
• Geringere Leitungs- und Schaltverluste. Die größere Bandlücke ermöglicht einen kleineren Driftbereich bei einer bestimmten Nennspannung, was zu geringeren Leitungsverlusten führt. Darüber hinaus führen geringere parasitäre Kapazitäten zu geringeren Schaltverlusten bei schnelleren Schaltflanken.
• Geringere parasitäre Anteile ermöglichen ebenfalls einen Betrieb mit höheren Frequenzen. Beispielsweise können die Schaltfrequenzen in einem SiC-MOSFET für 1 bis 5 kV im Bereich von 100 kHz liegen, verglichen mit den 10 kHz, die bei entsprechenden Si-Topologien möglich sind. GaN-HEMT-Bauelemente (Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit), die meist im Spannungsbereich <700 V erhältlich sind, sind unipolar und haben weitere Vorteile, da sie keine Rückstromverluste aufweisen und in diesem 100-Volt-Bereich mit mehreren MHz schalten können. Der große Vorteil höherer Frequenzen ist die Möglichkeit, die Größe induktiver Bauelemente zu verringern.

In Abbildung 2 wird der Wirkungsgrad von 100-kHz-Aufwärtswandlern auf GaN- und Si-Basis verglichen.

Abbildung 2: Vergleich des Wirkungsgrads zwischen Si und GaN für einen 100-kHz-Aufwärtswandler. (Bildquelle: Nexperia)

Alle oben genannten Vorteile führen direkt zu besseren SWaP-Kennzahlen und höheren Leistungsdichten. Höhere Zwischenkreisspannungen, die sich aus der Verwendung von Komponenten mit höherer Spannung ergeben, führen beispielsweise zu einem geringeren Effektivstrom im Zwischenkreiskondensator des Umrichters, was dessen Größe verringern kann. Eine höhere Schaltfrequenz ermöglicht die Verwendung von Planarmagneten mit kleinerem Formfaktor und hoher Frequenz. In einem herkömmlichen Stromrichter können die induktiven Komponenten bis zu 40 bis 50 % des Gesamtgewichts ausmachen, und mit dem Einsatz aktiver WBG-Geräte, die mit höheren Frequenzen arbeiten, sinkt dieser Anteil. Betrachtet man dies im Hinblick auf die gravimetrische Leistungsdichte eines Wechselrichters, so liegen luftgekühlte Si-Umrichter im Bereich von 10 kW/kg. Durch den Einsatz von WBGs hat diese Kennzahl in vielen Systemdemonstrationen 25 kW/kg überschritten, und es hat sich gezeigt, dass mit optimierten Topologien, Zwischenkreisspannungen und Schaltfrequenzen theoretisch Dichten von bis zu 100 kW/kg erreicht werden können.

Herausforderungen bei der Verwendung von Leistungshalbleitern mit großer Bandlücke (WBG) und mögliche Lösungen

Die oben genannten Vorteile von WBGs bringen jedoch auch viele Herausforderungen mit sich, die es zu bewältigen gilt. Im Folgenden werden einige dieser Herausforderungen und mögliche Lösungen vorgestellt, die derzeit untersucht werden:

• Höhere Leistungsdichten bedeuten unmittelbar eine höhere Wärmeentwicklung. Hohe Temperaturen verringern den Wirkungsgrad der Energieumwandlung und können auch ein Problem für die Zuverlässigkeit darstellen, insbesondere wenn die Temperaturzyklen hohe Temperaturschwankungen beinhalten. Thermomechanische Beanspruchung kann die Zuverlässigkeit der Gehäuse von Leistungsmodulen beeinträchtigen, indem sie die Wärmeverteiler, z. B. Wärmeleitmaterial (TIM) wie Wärmeleitpaste, die die Substrate aktiver Geräte mit den Kühlkörpern verbinden, instabil werden lässt und ihren Wärmewiderstand erhöht. Einige der untersuchten Lösungen sind:
  • Verbesserte Gehäuse: Gehäuse, die eine doppelseitige Kühlung mit direkt gekühlten Aluminiumnitrid-Substraten (DBA) mit Silbersinterung bieten, erzielen eine bessere Wärmeabfuhr. Andere Ansätze sind das selektive Laserschmelzen (SLM) von Kühlkörpern aus Pulverlegierungen direkt auf die DBA-Substrate.
  • Da die Größe des aktiven Chips aufgrund des erhöhten Leistungsbedarfs zunimmt, kann die Verwendung paralleler Chips, um dieselbe aktive Nettofläche zu erreichen, für die Wärmeverteilung von Vorteil sein.
• Die schnelleren Schaltvorgänge bei WBG sind zwar gut für die Verringerung der Schaltverluste, stellen aber ein größeres Risiko für elektromagnetische Störungen (EMI) dar. Die Lösungen hierfür umfassen:
  • Verteilte Filterzellen bieten eine bessere Leistung und können Redundanz bieten.
  • Die Verwendung von hybriden Aktiv-Passiv-Filtern mit Verstärkern zur Anhebung der tiefen Frequenzen kann die Netto-Filtergröße verringern und die Performance verbessern.
• Mit zunehmender Nennspannung steigt der spezifische Widerstand des Leistungsbauelements (R_DS(ON) x A, wobei R_DS(ON) der Durchlasswiderstand und A die aktive Fläche ist), da ein dickerer Driftbereich erforderlich ist. Während beispielsweise der hochtemperaturspezifische Widerstand eines SiC-MOSFETs für 1200 V etwa 1 mOhm pro mm² betragen kann, kann er bei einem Bauteil für 6 kV etwa 10 mOhm pro mm² erreichen. Um einen bestimmten R_DS(ON) zu erreichen, sind größere Bauelemente oder mehr parallel geschaltete Bauelemente erforderlich, was höhere Chipkosten, mehr Schaltverluste und einen höheren Kühlungsbedarf bedeutet. Einige Lösungen sind:
• Die Verwendung von 3- oder mehrstufigen Wandlertopologien ermöglicht den Einsatz von Komponenten mit niedrigerem Nennwert als die Zwischenkreisspannung. Dies kann besonders bei GaN-Bauelementen mit einer Nennspannung unter dem kV-Bereich von Bedeutung sein, bei denen eine SIPO-Konfiguration (serieller Eingang, parallele Ausgabe) die Eingangsspannung auf viele Bauelemente verteilt und so deren Verwendung ermöglicht.

GaN und Satellitenkommunikation

In Bezug auf die Strahlungsfestigkeit ist der GaN-HEMT-Baustein besser als Si- und SiC-MOSFETs:

• Die AlGaN-Schicht unter der Gate-Elektrode sammelt keine Ladung wie das SiO₂-Gate-Oxid in MOSFETs. Infolgedessen ist die Gesamtionisierungsdosis (TID) von GaN-HEMTs im Anreicherungsmodus erheblich besser, wobei Berichte über den Betrieb von mehr als einem Mrad (Megarad) vorliegen, während sie bei Si/SiC typischerweise im Bereich von Hunderten von Krads (Kilorads) liegt.
• Auch die Sekundärelektroneneffekte (SEE) werden durch den GaN-HEMT verbessert. Das Fehlen von Löchern minimiert das Risiko von Störungen durch Sekundärelektronen (SEU), während das Risiko von Gatterbrüchen, wie sie bei Si und SiC (SEGR) auftreten, ebenfalls minimiert wird.

Halbleiter-Leistungsverstärker (Solid State Power Amplifiers, SSPAs) auf GaN-Basis haben in vielen Raumfahrtanwendungen, wie z. B. in LEO-Satelliten (Low Earth Orbit, niedrige Erdumlaufbahn), vor allem in den Frequenzen vom C- bis zum Ku/Ka-Band, die Röhrengeräte weitgehend ersetzt.

Fazit

WBG-Halbleiter wie SiC und GaN haben viele Vorteile, wenn sie in der Luft- und Raumfahrt und der Satellitenkommunikation eingesetzt werden. In dem Maße, in dem ihre technologische Entwicklung, ihr Einsatz und ihre Zuverlässigkeitsstandards in terrestrischen Leistungswandlungsanwendungen reifen, wird auch ihr Einsatz in Luft- und Raumfahrt- sowie Satellitensystemen an Vertrauen gewinnen.