碳化硅促进航空电子系统设计演进

随着碳化硅半导体技能的进步，航空电子系统也呈现了新的发展趋势。

碳化硅功率器件的成熟极大地促进了航空机载传感器、实行机构和掌握系统以及电源系统设计等层面的演进，详细表示在航空电子掌握系统和电源系统从集中到分布式的转变，以及实行机构从液压或气动到电机驱动的转变这一航空电子系统的总体趋势。
特殊是高温SOI半导体和碳化硅功率器件的结合，其整体的耐高温性能将能很好地知足多电和全电飞机航空电子系统的设计需求。

过去十余年以来，飞机的燃料本钱增加了约50%；2020年之后，更由于环球供应链的剧烈变革，航空燃油价格连续飙升，预期2022年环球商业航空由于燃油本钱造成的亏损，将会高达数十亿美元。
为了增加可维性、减低重量、提高燃油效率，进而增加续航里程、降落排放，并节约商业翱翔本钱，飞机系统设计须要进行革命性的升级，由此，各项前辈研究项目早以展开。
个中，极具代表性的欧盟清洁天空联合创新项目（Clean Sky Joint Technology Initiative）肇端于2008年,凑集了发达国家的多数头部企业，现已历经两期（Clean Sky 2008-2017和Clean Sky2 2014-2024), 其目标不仅是降落商业翱翔的运营本钱，而且还要显著地降落排放，其预期到2050年实现降落75%的CO2排放、90%的NOx排放。
该项目中有些部分已采取了DO-160 （Environment Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment）标准，个中已哀求某些机载电子元器件在200℃ 环境中事情寿命要达到或超过50000翱翔小时。

越来越多的高温电子元器件的利用紧张为了支持实现新型的飞机系统设计。
这样，在承载同等或更高载荷的条件下，可降落飞机的自身重量；为能履行更为风雅的发动机掌握，提高发动机的燃油效率，因而掌握系统须要从传统的集中式“全权数字发动机掌握”（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）向“分布式”FADEC演进；为了减轻重量和合营飞机整体分布式设计，原有的液压或气动部件也在逐渐转向电机驱动。

航空电子技能所依赖的电子元器件的事情温度范围和事情寿命，直接影响着飞机的系统设计：过去，航空运用只能在成熟的、经由验证的军标温度范围（-55~+125C）内选择电子元器件，而高温半导体技能近年来得到了长足进步，特殊是高温“绝缘层上硅”（Silicon On Insulator，SOI）技能，还有“碳化硅”（Silicon Carbide，SiC）、 “氮化镓”（Gallium Nitride，GaN）等第三代“宽禁带”（Wide BandGap，WBG）半导体技能的发展，使得-55~+175C甚或-55~+225C，或者更高温度范围的电子器件日益呈现，给航空机载电子设备的设计打开了一扇新的窗口：这些技能使得因更小体积、更高功率密度而需耐受更高温度的航空电子设备的设计，成为可能。

航空运用对高温电子技能的需求

航空系统上的高温，常日有如下三个来源：

第一，来自飞机的动力系统，即飞机的引擎和排气装置。
引擎燃烧室的温度可以高达几千度，飞机掌握系统须要实时监测燃烧的状态，通过调节燃料和空气的比例来掌握燃烧过程，以求实现最高的燃烧效率。
为了实现对引擎高效的实时监测和掌握，干系传感器和电子器件须要尽可能地靠近引擎，视详细配置位置，有可能须要耐受300~600C的高温；

第二，飞机在高速翱翔时，飞机表面与空气摩擦生热。
超音速翱翔时，机体表面的温度可高达200℃以上；超音速翱翔的翱翔器在大气环境中降速时，机体前端由于空气的压力和摩擦所产生的热量尤其大，每每还须要配备额外的热防护层；

第三，是电子元器件自身发热。
所有电子元器件都有一定的内部耗散功率，如果导热和散热设计不良，特殊是在高空翱翔的空气稀薄的环境，设备内部的温升过高，将会导致非常严重的可靠性问题。

面对飞机上的热源和高温环境，为了保护其电子元器件，传统的做法是在支配电子设备时只管即便规避高温区，或外加热防护系统，如配备环境掌握系统（Environment Control System, ECS）。
例如，在早期的集中式FADEC系统中，发动机周边的传感器旗子暗记，被用屏蔽电缆馈送到远真个中心处理机处，而中心处理机一样平常安装在有空调或冷却装置掌握温度的舱室中。
当所有的传感和实行旗子暗记都必须送到一个中心处理机进行集中处理时，飞机上就要布设繁芜、弘大的线束，既占用飞机的宝贵体积，也增加了飞机的重量，并带来了更多的可靠性、安全性问题。

在某些受限的情形下，温度问题就成了设计瓶颈。
例如，飞机的武器系统常日被安顿或挂载于机翼和机体下方，其电子掌握装置常日已经没有空间去配备冷却系统了；即便有些情形下可以配置冷却装置，铺设的液体管道和线束，也会带来繁芜的可靠性问题。

对技能平衡点的选择历来是工程设计中的一个繁芜的综合考虑过程。
目前，基于传统体硅半导体性能，航空运用一样平常将环境温度极限标准定格在最高110℃，而最高结温为125℃以下，实际上，现在许多航空运用将结温掌握在约60℃旁边，紧张缘故原由受限于体硅半导体器件的性能。
要掩护电子元器件的限定温度对飞机是很大的包袱，尤其是在空间受限的机翼区域则更加困难。
冷却系统常日须要占用飞机重量的10%（功率约50KW），严重影响飞机的整体性能。
如果能将壳体许可最高温度仅提升至150℃，并适当提高结温的掌握温度点，大概有一些位置的冷却装置和环境掌握系统就不再须要了。
这样一来，体积、重量、功耗和本钱都可以节省。
总之，电子元器件的耐高温性能对飞机整体性能的改进有着很大的影响。

在实际设计运用系统的时候，人们总是会受到材料的限定，而必须作相应的综合考虑和妥协以实现可接管的设计。
也便是通过平衡材料和技能的极限，正如通过平衡机体材料的强度和重量，怀特兄弟能够实现他们的首次翱翔。
之后人们通过不断地采取新材料和新技能，不断在新的平衡点实现新型的飞机设计，不断改进和创造出新型飞机。
航空电子系统的浸染也便是如此，它作为当代飞机的主要部件，关系到飞机的发动机和翱翔状态掌握、通讯遥感和导航、武器系统（如火控、制导和电子对抗）等等。
飞机的运用目标和环境对电子元器件有其分外的哀求，每每新型的电子器件不仅能提升飞机的效率，而且还能匆匆成实现全新的设计理念。
因此，耐高温的电子元器件也一贯为航空航天领域所重视。

从1970年代起，基于机器、液压驱动和稠浊仿照发动机掌握的数字化、集中式FADEC已经走过了60多年，目前已经是各种飞机电子掌握系统的标配。
近年来该领域的发展转向了“分布式FADEC”，这紧张是由于：

飞机减重的哀求。
经典的FADEC哀求须要通过笨重的屏蔽线束回传传感器旗子暗记，经由中心打算机的打算、处理，发布指令指示实行机构进行动作，这些传输须要繁芜、昂贵、笨重的多芯线束和连接器，既占用了较大的体积和重量，也带来了更多的可靠性问题；前辈的飞机越来越多的采取分布式FADEC以得到显著的改进。
在分布式FADEC体系中，旗子暗记常常只需利用4线制的轻量线束传输（一对差分数字旗子暗记，一对电源和地线），大大简化了线束，消灭了传统航空接插件的绝大多数额外的引脚，既简化了防护，又显著的减少了接插件的数目和重量；

分布式掌握哀求传感器和实行机构，乃至其电源管理系统只管即便分散且靠近任务现场。
例如，发动机旗子暗记丈量须要紧邻发动机（环境温度高达300-600C），而机翼动作实行机构须要贴近目标机翼，等等。
这些地方每每无法配备水冷机构，只能依赖风冷或机体背板自然冷却，因而须要电气系统具备耐高温特性；

其余，实行机构的电气化也使得分布式设计越来越随意马虎达成，其系统相应速率远远高于传统的集中式系统架构。
过去飞机的调姿转向等动作紧张依赖液压或气动部件实现，这些部件依赖于精密机器合营，制造本钱高、故障率高而可维性差；而电机驱动式的“固态”实行器，相应速率快，重量轻体积小，故障率低而可维性高；据估计，一体化的电机实行器相应韶光仅为液压实行器的五分之一以下，同等驱动功率时的体积和重量仅为后者的三分之一以下。
基于体积重量和可靠性的缘故原由，飞机中的电机系统一样平常不许可再配备液体冷却机构，只能依赖风冷和背板自然冷却，因此其配备的电力电子的耐高温能力面临很大的寻衅。

总之，飞机系统因自身高温环境（如发动机周边）传统上须要高温器件支持之外，近年来飞机系统的分布式掌握设计趋势，和实行系统由液压和气压传动向电机传动转变的趋势，都在推动着对高温电子技能的新的需求。

高温电子技能的现状与发展

提高电子设备的最高事情温度等级须要面对颇多技能寻衅。
这些寻衅涉及高温电子技能的各个方面，包括高温半导体芯片的设计、制造和封装，耐高温的被动元件，焊接和组装的材料和工艺，以及从芯片到模块、再到电路板，乃至系统级别的热设计和热管理等等。

高温电子技能的核心是高温半导体芯片技能。
当环境温度升高到150-200℃时，硅基的本征载流子浓度显著升高，不仅硅基衬底险些完备导电，而且PN结势垒也靠近消逝，从而导致半导体的基本功能崩溃，险些完备导电而沦为“导体”。
因此，普通体硅半导体是不适宜高温运用的。
目前成熟且已实现大规模商业化的高温半导体芯片技能紧张有两种，一是高温SOI技能，另一是宽禁带半导体技能（如SiC和GaN）。
前者适宜于做高温集成电路器件，后者适宜于做高温功率器件，两者是很好的互补。

- 高温SOI 技能

SOI 是一种用于集成电路制造的新型原材料和工艺，有望替代目前大量运用的体硅工艺。
如图1（a）所示体硅MOSFET构造，比较之下，SOI工艺在衬底构造中增加了一个绝缘体夹层，其上方一层为有源硅层，而下方的硅层只是起到支撑浸染，如图1（b）所示。
该绝缘夹层可以由SiO2、氮化硅、Al2O3或其它绝缘材料构建，取决于详细的实现工艺。
由于硅与SiO2的结合界面性能稳定，以是SiO2成为了目前常见的主流SOI绝缘层材料。
SOI构造中的SiO2绝缘层，有效地减小了MOSFET漏极和源极的实际PN结面积，使得漏极和源极的反向泄露电流大大降落，为高温性能的提升奠定了根本。
其余，可通过工艺和材料的选择来加固其高温事情的可靠性。

图1 （a）N沟道MOSFET体硅工艺；（b） N沟道SOI工艺

SOI独特的“Si/绝缘层/Si”三层构造，带来了诸多上风：首先，“绝缘埋层”实现了器件功能有源部分和衬底的全介质隔离，减小了寄生电容，开关频率得以提高；其次，由于较小的PN结面积，显著降落了泄露电流，SOI 器件的自身耗散也减小了; 再者，绝缘层的存在隔断了有源部分通过硅衬底而互通的电流利道，彻底肃清了“闩锁”（Latch Up）效应；其余，绝缘夹层构造抑制了硅衬底产生的脉冲电流滋扰（如辐射粒子引发等），减少了偶发缺点的产生，具很好的抗辐照特性；末了，SOI与现有体硅工艺设备、流程基本兼容（除少数高温SOI器件工艺须要分外设备外），具备极佳的商业量产可履行性。

目前，基于SOI（Silicon on Insulator，绝缘层上硅）的独特高温半导体技能，已全面打破了普通体硅半导体器件的温度困境，有效地肃清了温度载流子效应对器件性能的影响。
通过对SOI器件进行适当的布局和工艺设计，如尽可能减少源漏间结面积和耗尽区宽度，可大幅地减小了反向泄露电流，极大地提升器件的各项高温性能；同时采取高激活能材料的金属系统，履行钝化膜保护工艺等等，可大幅地提高器件的高温可靠性；目前，基于SOI工艺的半导体器件，商业实现普遍做到了225C，部分研发实现了300C，少数前沿探索正在向400C的稳定实现演进。
高温SOI技能已被广泛运用于石油钻探、航空航天、国防装备等尖端领域。

- SiC和GaN器件的特性作为“第三代”、“宽禁带”半导体材料，SiC和GaN器件具有多少先天的优点，这些优点来自于对应材料的实质特性，拜会图2：

图2 SiC、GaN和体硅的实质特性之比较

图2中可见，SiC和GaN新型半导体材料险些在每个根本指标上都显著超越了体硅，特殊是SiC材料，在热导率、熔点方面的效能，险些为体硅的2.5~3倍。
很宽的禁带宽度使得SiC和GaN天生就比体硅器件更耐高温；从现有产品的额定结温来看，基于体硅的半导体器件，例如军品级，一样平常都标注为最高结温125℃，而普通的SiC和GaN器件，多数都标注为175℃，少数标注为200℃；实在，SiC和GaN器件可事情温区远不止于此，其管芯本身可在500℃乃至更高温度下长期稳定地事情；而目前175℃、200℃的额定温度，是受到封装技能及运用本钱的限定。
随着业界高温封装家当能力的提升，更高温度等级的SiC和GaN器件将很快得到遍及。

- CISSOID的SiC MOSFET IPM

高温SOI器件已经得到了完备的商业化生产和供应。
以CISSOID公司为例，其从事高温SOI器件的设计和制造，已有20多年历史；目前已能供应10多个种类100多个型号的高温SOI器件，包括二极管、MOSFETs、电压参考器、电压调节器、PWM掌握器、栅极驱动器、模数转换器、比较器、运算放大器、逻辑器件、时钟发生器和计时器等等。
根据封装形式的不同，分为两大系列：CMT系列为高温塑胶材质封装，最高结温为175℃；而CHT系列则为金属陶瓷封装，最高结温为225℃。
综合平衡管芯和封装的设计和现有家当化工艺条件，目前CISSOID所供应的高温SOI器件的高温事情寿命可达约15年（最高结温175℃），或约5.5年（最高结温225℃），又或约2.5年（最高结温250℃），以及约1.3年（最高结温280℃）；其规律是，近乎于温度每升高25℃，器件寿命将约减少一半；在300℃以上时，其SOI器件也还有几千小时的事情寿命。

另一方面，近年新兴的宽禁带化合物半导体（SiC、GaN等），天生具有卓越的高温性能，其事情温度已被实验证明可达500℃乃至更高，而以SiC器件的高温性能最为精彩。
近期，SiC的商业化进展程度也表现尤为突出，由电动汽车运用的大量需求所推动，SiC器件已经开始了大规模量产和全面遍及，一定在电力电子运用的各个领域逐步替代传统的体硅IGBT功率器件。

SiC功率器件高温运用的高温封装技能也在加速演进。
为了合营这一发展的整体趋势，CISSOID 公司利用其高温SOI的技能上风，开拓了专为降落开关损耗并提高功率密度、风冷型三相全桥碳化硅SiC MOSFET智能功率模块(IPM)技能平台系列（图3）。
针对航空航天领域的风冷运用，部分IPM采取了平面基板，可以方便地结合到散热器或框架构造上。
该IPM技能平台可迅速调配以适应不同的电压、功率档级，极大地加速了基于SiC的功率转换器的设计，实现更高效率和更高功率密度。

图3：带有平面底板的SiC智能功率模块 图3：带有平面底板的SiC智能功率模块

智能功率模块(IPM)意味着功率模块和栅极驱动器的集成。
功率模块和栅极驱动器的协同设计能够通过仔细调节dv/dt和掌握快速开关固有的电压过冲来优化IPM，以实现最低开关能量损耗。
CISSOID的栅极驱动器是基于高温SOI半导体技能开拓的，具有独特的耐高温稳定性，可与耗散数百瓦的功率组件紧密集成。
这样，有助于减少栅极环路寄生电感，实现快速开关和降落开关损耗，并避免寄生导通的风险。
CISSOID的栅级驱动器配有负驱动和有源米勒钳位（AMC）、去饱和检测（DeSAT）、软关断（SSD）等防护保护机制，还有欠压锁定（UVLO）、DC总线电压监视系统及模块内部的温度监控等。
通过供应匹配的整合的方案，CISSOID的IPM平台使客户能够大大加快他们的系统设计。

CISSOID 的高温SOI半导体芯片技能，是高功率风冷IPM模块成为可能的条件 (型号：CMT-PLA3SB340AA和CMT-PLA3SB340CA)；这些型号是专为无法利用液体冷却，例如航空机电实行器和功率转换器的高温运用而设计的。
这些型号的额定阻断电压为1200V，最大连续电流为340A；导通电阻仅有3.25m和2.67m，标称开关损耗则仅为8.42mJ和7.05mJ （在600 V/300A条件下）。
该功率模块的额定结温为175℃，栅极驱动器的额定环境温度为125℃，通过AlSiC扁平底板冷却，热阻较低、耐热性强。
其余，依据运用条件和场景的需求，通过改换更高温度等级的被动元器件和紧张芯片及模块的封装，CISSOID的IPM还可以进一步提升运行温度等级。
此外，CISSOID也正在开拓单相和两相的IPM模块，以便于灵巧地组合身分歧的电力拓扑构造来针对各种不同的运用。

航空领域的范例运用

- 分布式实行掌握系统和配电办法

参考前文，目前前辈飞机的设计越来越多地趋于采取分布式设计。
分布式系统可以就地网络发动机状态，及飞机体内和蒙皮的各种传感器旗子暗记，通过数字化等处理后，经由统一的数据总线传送给主机。
就地处理意味着传感器和实行器更为靠近前端现场，而那些位置常日无法配备冷却系统。

因此，分布式系统更须要耐高温的传感掌握驱动单元，这每每须要耐温200℃以上的电子元器件，及同等温度等级的连接器、线缆等赞助材料。
首先采取高温电子器件将传感仿照旗子暗记数字化，例如有关发动机运行状态的温度、压力、燃料供给和效率等等，都须要前端采集仿照传感旗子暗记并数字化后经由数字总线上传；反之，经由中心掌握器打算下达的动作指令，也通过数字总线传输到位于前端现场的实行部件。

分布式系统的益处：第一，通过数字化传输简化了飞机线束，减少了大量笨重的屏蔽线缆馈线；第二，显著减少了各部件之间的连接器数目，在减重的同时也提高可靠性；第三，掌握单元分散布局，比较集中掌握，提高了飞机的生存能力；第四，减少或肃清了诸多水冷装置，能够大大地减少体积和重量。

类似于实行掌握系统的分布式，飞机配电也趋向采取分布式，即飞机上除了一个电源中央外， 还有多少个分中央，每个电源分中央由电源二次分配组件SPDA（Secondary Power Distribution Assembly)和远程电源分配组件RPDU（Remote Power Distribution Unit）进行掌握。
这种配电办法的掌握设备和掌握逻辑会较为繁芜，但大大减轻了配电导线的重量，且因负载端靠近不同的电源中央，其负载电压也随意马虎保持稳定。
然而，负载端大概不具备很好的冷却环境，这样就须要其电力电子有很好的耐高温能力。

- 多电飞机的电机驱动和电源变换器

传统飞机的舵面、翼面等姿态操控，都是由液压和气压驱动的机器装置完成的；此外，在发动机转向喷口及发动机反推动作掌握，以及舱门、起落架、刹车及地面转向驾驶等处，也还大量地利用了液压或气压部件。
液压和气压装置的弱点在于其密封，由于采取流体或气体通报压力，因而通报效率较低，故障率高，且不适宜远间隔传动；仅以液压为例，液压系统对油温变革较为敏感，运动部件的速率不易保持稳定；液压系统的体积和重量弘大，受环境影响很大并且掩护本钱很高。
目前，新型设计已趋向于部分或全部地实现电气化，用电机驱动替代机器式的液压和气压实行机构，此即多电飞机的观点。

电机驱动全固态化，相应快，并且可靠性高、可掩护性强，方便冗余备份设计；电机驱动还可以大大减小部件的体积和重量，这对飞机本身尤为主要。
其余，电气化也使分布式实行掌握更随意马虎实现。

然而，多电飞机上的电机和电控一样平常不充许再配备液冷，只能依赖逼迫风冷和背板散热器冷却；旧式的飞机可以利用液压油路系统兼职冷却，而现在改为电驱动实行部件，肃清了液压体系，如果再专门配置液冷系统来担保散热，那便是走转头路、做无用功了。
因此，实现多电或全电飞机的电控设计，第一个面对的技能寻衅便是功率和驱动电路的耐高温设计；耐高温SOI驱动器件和电路匹配以碳化硅功率模块，为办理这一航空领域的技能难题铺平了道路。

除电机驱动外，多电飞机对电力电子变换器也提出了新的哀求。
多电飞机的紧张电源采取变频互换电源或高压直流电源，容量可高达几十乃至几百KW级，用电设备大幅度增加，因此须要各种不同类型的电力电子变换器进行电能变换，包括AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC和固态开关等。
基于Si的传统电力电子器件已不再能知足多电飞机对高温、高效率、高功率密度及高可靠性的哀求。
因此，耐高温SOI及碳化硅器件领悟的智能功率模块，就成为了多电飞机电源变换器的首选。

- 电动飞机

电动飞机（Electric aircraft)是依赖电动机翱翔的飞机，其利用的电力来自蓄电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、无线能量传输，或其它种类等；鉴于电动飞机减重需求压力很大，一样平常无法收受接管体积和重量弘大的液体冷却系统和液压或气压传动系统，一样平常也只有风冷散热条件，此时，电机驱动总成的热管理就面临着很大的寻衅。
在此，耐高温SOI及碳化硅器件领悟的智能功率模块，又成为不二的办理方案。

类似于电动汽车，受到电池容量的限定，电动飞机也有里程焦虑，因而追求最高的能源效率，以实现最大的续航里程，因此也趋向于从体硅IGBT器件，转向基于SiC/GaN功率器件来构建电源和电控系统。
如此，不仅能得到更高的能源转换效率，还能耐受更高的温升。

结语

高温SOI技能通过器件构造的改进，打破了体硅器件的温度困境；采取改良的金属化系统和高温加固工艺，大大提高了器件的高温可靠性。
随着第三代半导体功率器件的日趋成熟和遍及，其固有的高温性能与高温SOI集成电路形成了非常空想的搭配。
由此，为飞机系统设计工程师打开了一扇新的窗口，为全面实现分布式设计和电气化设计，奠定了根本。

来源：化合物半导体同盟