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              碳化硅功率器件在航天電子產品中的應用

              作者:海飛樂技術 時間:2018-08-02 10:18

                隨著全球氣候變暖,“低碳”變成了當今社會的熱門詞語,“低碳經濟”、“低碳生活方式”,甚至連最熱門的房地產行業最近也推出了“低碳樓盤”。而歸根到底,“低碳”的本質就是降低能耗,減少二氧化碳的排放。據統計,60%~70%的電能是在低能耗系統中使用的,而絕大多數是消耗于電力變換和電力驅動。而提高電力利用效率中,起關鍵作用的是功率器件,因此如何降低功率器件的能耗已成為全球性的重要課題。
               
                在航天電子產品中,電子設備的功耗、體積和重量比地面設備更加重要,有時甚至是衡量該產品的主要指標。
               
                碳化硅(SiC)功率器件耐高溫、抗輻射、具有較高的擊穿電壓和工作頻率,適于在惡劣條件下工作,特別是與傳統的硅(Si)功率器件相比,碳化硅功率器件可將功耗降低一半,因此可大幅度降低開關電源、電機驅動器等電路的熱耗、體積和重量。
               
                雖然,碳化硅功率器件在近幾年才向市場推廣,但目前已應用于混合動力汽車和電動汽車設備中,正因其在很多方面具有普通硅功率器件無與倫比的優點,把碳化硅功率器件向航天電子產品中推廣就具有了很重要的實際意義。
               
                碳化硅功率器件在航天電子產品中的應用
                根據上述分析,結合航天軍工實際,碳化硅功率器件在航天電子產品中的應用主要集中在下面幾個領域。
               
                1. 彈/箭上開關電源和衛星/飛船上的太陽能電源系統
                在開關電源系統中,二極管一般被用作整流、續流保護等。用做整流時,經常會因為整流二極管的反向恢復時間過長,進而導致轉換效率降低,發熱增加。雖然使用肖特基二極管可解決反向恢復問題,但普通硅(Si)肖特基二極管的擊穿電壓很低(通常低于200V),再加上降額設計,不適合高壓應用。而用碳化硅(SiC)制作的肖特基二極管耐壓可達1200V,反向恢復電流幾乎可忽略不計,因而能大大減小器件的開關損耗,同時,還可簡化開關電源電路中的保護電路,圖2是Cree公司提供的使用碳化硅肖特基二極管后對Boost型拓撲結構開關電源的簡化。

              使用SiC二極管簡化Boost開關電源設計 
              圖2 使用SiC二極管簡化Boost開關電源設計
               
                2. 彈/箭上無刷直流電機或電動舵機的驅動器
                目前,彈/箭上使用的無刷直流電機或電動舵機的功率日趨增加,對于無刷直流電機或電動舵機的驅動器來說,因彈/箭上電池電壓的限制,只有提升電流才能輸出足夠的功率。而大的電流帶來了更大的耗散功率和發熱量,這就會增加驅動器的體積、重量,無形中就增加了彈/箭的無效載荷,縮短了射程。
               
                碳化硅肖特基二極管所具有的耐高溫、反向恢復電流為零的特性,可極大地提高電機驅動器的性能,減小耗散功率、體積和重量,提高產品的可靠性。
               
                另外,當SiC MOSFET制作工藝成熟后,如能替代當前使用的開關功率器件,因其高溫性能卓著,還可進一步降低電機驅動器的體積和重量。
               
                3. SiC MESFET在星載/機載雷達發射機中的應用
                SiC MESFET主要應用于微波領域,非常適合在雷達發射機中使用;使用它可顯著提高雷達發射機的輸出功率和功率密度,提高工作頻率和工作頻帶寬度,提高雷達發射機的環境溫度適應性,提高抗輻射能力。
               
                和普通硅(Si)功率器件相比,碳化硅(SiC)功率器件所具有的優勢非常明顯。雖然碳化硅功率器件的市場化推廣還處于起步階段,但其應用前景廣大,發展速度迅猛,在“低碳”經濟理念的推動下,必將加快其發展步伐。航天電子產品對其重量、體積、功耗和抗輻射程度都有嚴格的要求,碳化硅功率器件的出現及進一步推廣,必將對今后航天電子產品的開發產生深遠影響。




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