מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה (Band Gap‏) רחב ביישומי תעופה-וחלל ולוויינים

מוליכים-למחצה עם פער-אנרגיה (Band Gap‏) רחב (WBG‏) מביאים מספר יתרונות בהמרת הספק, כגון צפיפות הספק ונצילות משופרות, תוך הפחתת גודל ומשקל המערכת עם מיתוג בתדר גבוה יותר המאפשר שימוש ברכיבים פסיביים קטנים יותר. יתרונות אלו יכולים להיות חשובים אף יותר במערכות הספקת-כוח בתעופה וחלל ובלוויינים, שבהן הגודל והמשקל חשובים באופן קריטי. במאמר אנו בוחנים את היתרונות היחסיים של רכיבי WBG כגון סיליקון קרביד (SiC) וגאליום ניטריד (GaN) ביישומים אלה.

המרת הספק בכלי-טיס

ככל שהעולם עובר לעתיד ירוק יותר, תשומת הלב התמקדה בשיטות להפחתת פליטות מכלי-טיס מסורתיים המונעים בגז. כמה גישות שנשקלות הן:

• יותר כלי-טיס חשמליים (MEA): המטרה כאן היא להחליף כמה מאביזרי המנוע המונעים בצורה מכנית או הידראולית עם רכיבים מונעים חשמלית (למשל, משאבות הדלק).
• יותר הנעה חשמלית (MEP): כאן משתמשים בגנרטורים חשמליים כדי לספק סיוע היברידי לטורבינת הגז, ובכך להפחית את צריכת הדלק.
• כלי-טיס כל-חשמליים (AEA): תוכנית שאפתנית יותר שבה המטוס הוא כל-חשמלי. זה עשוי להתחיל עם מטוסים קטנים יותר כמו מסוקים, כלי רכב עירוניים ניידים אוויריים (UAM) ומטוסי המראה ונחיתה אנכיים (VTOL‏), כגון אלו המתוכננים לשימוש כמוניות אוויריות.

בכלי-טיס מודרניים, צריכת החשמל המוגברת חייבה עלייה במתח הנכנס הנוצר מטורבינת הגז ל-_AC‏V‏ 230‏. מתח זה מומר על ידי מיישר למתח DC Link‏ של _DC‏V‏ 270‏±, הידוע גם כמתח HVDC‏. ממירי DC/DC משמשים לאחר מכן ליצירת LVDC‏ של V‏ 28‏, המשמש להפעלת ציוד כגון תצוגת תא הטייס, משאבות דלק DC וכו'. בדיוק כמו במטעני EV למכוניות שם מפותחות כעת מערכות עבור V‏ 800‏, המגמה בכלי-טיס היא לדחוף את המתח גבוה יותר כדי להפחית את הפסדי הכבלים. בכלי-טיס סביר להניח שמתח ה-DC יידחף לעבר תחום ה-kV, במיוחד במערכות הינע היברידיות ו-AEA‏. במונחים של הספק, ממירי הספק MEA‏ יכולים לנוע בין 10 ל-100 קילוואט, בעוד שממירי הספק של הינע-היברידי וממירי הספק AEA חייבים להיות בתחום של מספר מגה-וואטים.

הדרישות והאתגרים העיקריים עבור אלקטרוניקה להספק בכלי-טיס

• גודל, משקל והפסדי הספק (SWaP): מדדי SWaP נמוכים יותר הם העיקר שכן צריכת הדלק, הטווח והנצילות הכוללת קשורים אליהם ישירות. נבחן את הדוגמה של AEA. במקרה זה, מערכת הסוללות היא המרכיב הכבד ביותר של מערכת ייצור ההספק החשמלי. גודל הסוללה הנדרש תלוי בנצילות המהפך. אפילו שיפור של 1% בנצילות המהפך מ-98% ל-99% יכול להפחית את גודל הסוללה הנדרש עבור סוללה טיפוסית עם צפיפות אנרגיה של Wh/kg‏ 250‏ בכמה מאות ק"ג. צפיפות ההספק הגרבימטרית של מודול המהפך (kW/kg) היא מדד עיקרי נוסף. בדומה, הגודל והמשקל של רכיבים פסיביים, כמו גם מערכת הקירור הנדרשת עבור התקנים אקטיביים בממיר, יכולים להיות משמעותיים.
• אלקטרוניקה בהספק גבוה המותקנת קרוב למנוע באזורים ללא-לחץ עומדת בפני אתגרים רבים הקשורים לחום ובידוד. התקנים אקטיביים זקוקים להורדת ערך נומינלי (De-Rating) משמעותית עבור הטמפרטורה, ודרישות הקירור שלהם עלולות להעמיס על מערכת הקירור הכוללת של כלי-הטיס. בגובה רב, פריקה חלקית יכולה להתרחש בשדות חשמליים נמוכים יותר, ומכאן שצריך לתכנן מארזי מודולים ומוליכים-למחצה, כמו גם רכיבי בידוד, עם מרווח מספיק. הבטחת טולרנס לחשיפה לקרינה קוסמית יכולה גם לדרוש הורדת מתח נומינלי משמעותית עבור ההתקנים האקטיביים.
• תקני הרשאה ואמינות: ה-DO-160‏ הוא הכלל לבדיקת חומרת אוויוניקה בסביבות שונות. מעט מאוד רכיבים מסחריים-מן-המדף (COTS) מורשים לכך, מה שמוביל יצרני OEM ויצרני כלי-טיס לוודא את ההרשאות ואת השימוש ברכיבים.

יתרונות השימוש במוליכים-למחצה להספק עם פער-אנרגיה רחב (WBG) בתעופה-וחלל ולוויינים

חומרי WBG, כגון SiC ו- GaN מציעים יתרונות רבים על פני התקנים מסורתיים מבוססי סיליקון (Si) כפי שמוצג באיור 1.

איור 1‏: השוואה בין תכונות החומרים עבור Si, SiC ו- GaN. (מקור התמונה: Researchgate‏)

יתרונות חומרים אלה מתורגמים ליתרונות רבים באלקטרוניקה להספק של כלי-טיס:

• מוליכות תרמית גבוהה יותר, במיוחד ב-SiC, המקלה על קירור חלקים כמו אלו המשמשים לבקרת המנוע.
• מתח מערכת גבוה יותר מפחית הפסדים אוהמיים בכבלים. זה נכון במיוחד עבור SiC, שבו התקנים מסחריים זמינים עד kV‏ 3.3‏, עם מחקר פעיל שמטרתו להרחיב זאת עוד יותר.
• אמינות משופרת בטמפרטורות גבוהות. לדוגמה, הודגמה פעולה של SiC ב-C‏°‏200‏+.
• הפסדי הולכה ומיתוג נמוכים יותר. פער-אנרגיה גבוה יותר מאפשר אזור סחיפה קטן יותר בדירוג מתח נתון, המוביל להפסדי הולכה משופרים. בנוסף, קיבולים טפיליים נמוכים יותר מובילים להפסדי מיתוג נמוכים יותר עם קצבי מיתוג מהירים יותר.
• השפעות פרזיטיות נמוכות יותר מאפשרות גם פעולה בתדר גבוה יותר. כדוגמה, תדרי מיתוג ב-SiC MOSFET‏ kV‏ 5‏-1 יכולים להיות ב-100s של kHz‏, בהשוואה לעשרות KHz‏ האפשריים עם טופולוגיות מקבילות ב-Si. התקני GaN HEMT (טרנזיסטור ניידות אלקטרונים גבוהה), למרות שהם זמינים ברובם בתחום מתחים < V‏ 700‏, הם אוניפולריים ויש להם יתרונות נוספים ללא הפסדי התאוששות אחורנית ויכולת למתג בכמה MHz‏ בתחום זה של 100 וולט. היתרון הגדול של תדרים גבוהים יותר הוא היכולת לכווץ את גודל המגנטיות.

איור 2 משווה את הנצילות של ממירי Boost‏ kHz‏ 100‏ מבוססי GaN ו-Si.

איור 2‏: השוואה של הנצילות בין Si ל-GaN עבור ממיר Boost‏ kHz‏ 100‏. (מקור התמונה: Nexperia‏)

כל היתרונות לעיל מובילים ישירות למדדי SWaP טובים יותר וצפיפויות הספק גבוהות יותר. לדוגמה, מתחי DC Link‏ גבוהים יותר עקב השימוש בהתקני מתח בדירוג גבוה יותר יוצרים זרם RMS עם קיבוליות קטנה יותר בקבל DC Link‏ של הממיר, היכול להפחית את דרישת הגודל שלו. תדר מיתוג גבוה יותר מאפשר שימוש במגנטים פלאנאריים בתדר גבוהה יותר עם גורם צורה קטן יותר. בממיר הספק מסורתי, הרכיבים המגנטיים יכולים לייצג עד 40-50% מהמשקל הכולל, ועם השימוש בהתקני WBG אקטיביים הפועלים בתדרים גבוהים יותר, אחוז זה הולך ופוחת. במבט על זה במונחים של צפיפות ההספק הגרבימטרית של מהפך, ממירים מקוררי אוויר מבוססי Si נעו סביב kW/kg‏ 10‏. עם השימוש ב-WBGs, מדד זה עלה על kW/kg‏ 25 בהדגמות מערכת רבות, והשגת צפיפות הגבוהה עד כדי kW/kg‏ 100‏מתאפשרת תיאורטית עם טופולוגיות, מתחי DC Link‏ ותדרי מיתוג אופטימליים.

האתגרים בשימוש במוליכים-למחצה להספק עם פער-אנרגיה רחב (WBG) ופתרונות אפשריים

היתרונות לעיל של WBGs, עם זאת, מתורגמים לאתגרים רבים שיש לטפל בהם. להלן כמה מהאתגרים והפתרונות האפשריים הנבדקים כעת:

• צפיפויות הספק גבוהות יותר מתורגמות ישירות לייצור חום מוגבר. טמפרטורות גבוהות מפחיתות את הנצילות של המרת ההספק ויכולות גם להוות בעיה עבור האמינות, במיוחד כאשר מחזורי הטמפרטורה מעורבים עם שינויי טמפרטורה גבוהים. מאמץ תרמו-מכני יכול להשפיע על אמינות מארזי מודול הספקת-הכוח על ידי הפיכתם למפזרי חום, כגון חומרי ממשק תרמי (TIM) כמו גריז תרמי המחברים מצעי התקנים אקטיביים לצלעות-קירור, והפיכתם ללא-יציבים וכן להגברת ההתנגדות התרמית שלהם. כמה פתרונות שנבדקו כוללים:
  • מארזים משופרים: מארזים המציעים קירור דו-צדדי עם מצעי אלומיניום ניטריד מקוררים ישירות (DBA) עם סינטור (Sintering‏) כסף משיגים סילוק חום משופר. גישות אחרות כוללות התכת לייזר סלקטיבית (SLM) של צלעות קירור מסגסוגת אבקה ישירות על גבי מצעי DBA.
  • ככל שגודל פיסת-הסיליקון האקטיבית גדל עקב דרישות הספק מוגברות, השימוש בפיסות-סיליקון מקבילות להשגת אותו שטח אקטיבי נטו יכול להוות יתרון עבור פיזור החום.
• מעברי המיתוג המהירים יותר עם WBG, למרות שהם טובים להפחתת הפסדי המיתוג, יוצרים יותר סיכון להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). הפתרונות לכך כוללים:
  • תאי מסנן מבוזרים מציעים ביצועים משופרים ויכולים לספק יתירות.
  • שימוש במסננים אקטיביים-פסיביים היברידיים באמצעות מגברים כדי להגביר את התדרים הנמוכים יכול להפחית את גודל המסנן נטו ולשפר את הביצועים.
• ככל שהמתח הנומינלי גדל, ההתנגדות הספציפית של התקן ההספק (_(DS(ON‏R‏ x‏ A‏, כאשר _(DS(ON‏R‏ היא התנגדות מצב-מופעל ו-A הוא האזור האקטיבי) גדלה עקב הצורך באזור סחיפה עבה יותר. לדוגמה, בעוד שהתנגדות ספציפית-לטמפרטורה גבוהה של MOSFET‏ SiC‏ V‏ 1,200‏ יכולה להיות ^2‏mOhm-mm‏ 1, היא יכולה להגיע ל-^2‏mOhm-mm‏ 10‏ עבור התקן בדירוג kV‏ 6‏. נדרשים התקנים גדולים יותר או יותר התקנים במקביל כדי לעמוד ביעד של _(DS(ON‏R‏, כלומר עלויות פיסת-סיליקון גבוהות יותר, יותר הפסדי מיתוג ויותר דרישות קירור. כמה פתרונות כוללים:
• שימוש ב-3 ממירים או בטופולוגיות רבות-רמות מאפשר שימוש בהתקנים עם דירוג נמוך יותר לעומת מתח DC Link‏. זה יכול להיות רלוונטי במיוחד בהתקני GaN בדירוג תת-kV, שבהם תצורה טורית בכניסה, מקבילית ביציאה (SIPO‏) מפלגת את המתח הנכנס על פני התקנים רבים, ובכך מאפשרת את השימוש בהם.

GaN ותקשורת לוויינים

במונחים של כמה טוב הוא יכול להתמודד עם קרינה, התקן GaN HEMT הוא טוב יותר מ-Si‏ ו-SiC MOSFET‏ גם יחד:

• שכבת AlGaN מתחת לאלקטרודת השער אינה אוספת מטען כמו שתחמוצת השער _2‏SiO‏ עושה ב-MOSFETs. כתוצאה מכך, הביצועים של מינון המיינן הכולל (TID) של GaN HEMTs באופן-e הם משופרים משמעותית, עם דיווחים על פעולה העולה על Mrad‏ אחד (megarad‏), בעוד שב-Si/SiC זה בדרך כלל במאות של krads‏ (kilorads‏).
• אפקטי אלקטרון משניים (SEE) משופרים גם הם עם GaN HEMT. היעדר חורים ממזער את הסיכון להפרעות אלקטרונים משניות (SEU), בעוד שהסיכון לשבר בשער הקיים ב-Si ו-SiC‏) (SEGR‏) ממוזער גם הוא.

מגברי הספק מצב-מוצק (SSPAs‏) מבוססי GaN‏ החליפו במידה רבה את התקני שפופרת ואקום ביישומי חלל רבים, כמו גם בלוויינים במסלול נמוך סביב כדור הארץ (LEO‏), במיוחד בתדרים מ-C ועד לפסי תדר Ku/Ka.

סיכום

למוליכים-למחצה WBG כמו SiC ו-GaN יש הרבה יתרונות בשימוש בתעופה-וחלל ובתקשורת לוויינים. ככל שתקני הפיתוח, השימוש והאמינות שלהם מבשילים ביישומי המרת הספק יבשתיים; ייבנה ביטחון רב יותר בשימוש בהם גם במערכות תעופה-וחלל ולוויינים.