Semicondutores de ampla banda proibida em aplicações aeroespaciais e de satélite

Os semicondutores de ampla banda proibida (WBG) trazem várias vantagens na conversão de energia, tais como maior densidade de potência e eficiência, enquanto reduzem o tamanho e o peso do sistema com maior frequência de chaveamento que permite o uso de componentes passivos menores. Estas vantagens podem ser ainda mais importantes nos sistemas de energia aeroespacial e de satélite, onde o tamanho e o peso são extremamente importantes. No artigo, exploramos as vantagens relativas dos componentes WBG, como o carbeto de silício (SiC) e o nitreto de gálio (GaN) nestas aplicações.

Conversão de energia em aeronaves

À medida que o mundo caminha para um futuro mais verde, a atenção tem se concentrado nos métodos de redução das emissões das aeronaves tradicionais movidas a combustíveis fósseis. Algumas abordagens estão sendo consideradas:

• Mais Aeronaves Elétricas (MEA): O objetivo aqui é substituir alguns dos acessórios do motor acionado mecânica ou hidraulicamente por componentes acionados eletricamente (por exemplo, as bombas de combustível).
• Mais Propulsão Elétrica (MEP): Aqui os geradores elétricos são utilizados para fornecer um auxiliar híbrido à turbina a gás, reduzindo assim o consumo de combustível.
• Todas as Aeronaves Elétricas (AEA): Um plano mais ambicioso onde o avião é todo eletrificado. Isto começaria com aviões menores, helicópteros, veículos de Mobilidade Aérea Urbana (UAM) e aviões de Decolagem e Aterrissagem Vertical (VTOL), tais como aqueles planejados para uso como táxis aéreos.

Nas aeronaves modernas, o aumento do consumo de energia exigiu um aumento na tensão de entrada gerada pela turbina a gás para 230 V_CA. Esta tensão é convertida por um retificador para uma tensão de filtragem CC de ±270 V_CC, também conhecida como tensão HVDC. Os conversores CC/CC são então usados para gerar um LVDC a 28 V, que é usado para operar equipamentos como o visor da cabine de pilotagem, as bombas de combustível CC, etc. Assim como nos carregadores EV para carros onde agora estão sendo desenvolvidos sistemas para 800 V, a tendência nas aeronaves é elevar as tensões para cima para reduzir as perdas nos cabos. Nas aeronaves, a tensão CC será provavelmente empurrada para a faixa de kV, especialmente nos sistemas de propulsão híbrida e AEA. Em termos de potência, os conversores de potência MEA podem variar de 10 a 100 KW, enquanto os conversores de potência de propulsão híbrida e AEA devem estar na faixa de vários MW.

Principais requisitos e desafios da eletrônica de potência em aeronaves

• Tamanho, peso e perda de energia (SWaP): As métricas SWaP mais baixas são fundamentais, pois o consumo de combustível, o alcance e a eficiência geral estão diretamente relacionados a elas. Considere o exemplo de uma AEA. Neste caso, o sistema de bateria é o componente mais pesado do sistema de geração de energia elétrica. O tamanho da bateria necessária depende da eficiência do inversor. Mesmo uma melhoria de 1% na eficiência do inversor de 98% para 99% pode reduzir o tamanho da bateria necessária para uma bateria típica com uma densidade de energia de 250 Wh/kg em vários 100 kg. A densidade de potência gravimétrica do módulo inversor (kW/kg) é outra métrica importante. Da mesma forma, o tamanho e o peso dos componentes passivos, bem como o sistema de resfriamento necessário para os dispositivos ativos do conversor, podem ser substanciais.
• A eletrônica de alta potência instalada perto do motor em áreas não pressurizadas enfrenta muitos desafios relacionados ao calor e ao isolamento. Os dispositivos ativos precisam de uma degradação significativa para a temperatura, e suas exigências de refrigeração podem sobrecarregar o sistema geral de refrigeração da aeronave. Em alta altitude, a descarga parcial pode ocorrer em campos elétricos mais baixos, portanto, o encapsulamento de semicondutores e módulos, assim como os componentes de isolação, precisam ser projetados com margem suficiente. A garantia de tolerância à exposição de radiação cósmica também pode exigir uma significativa degradação da tensão para os dispositivos ativos.
• Padrões de qualificação e confiabilidade: A DO-160 é uma regra para testar hardware de aviônica em diferentes ambientes. Muito poucos componentes comerciais prontos para uso (COTS) são certificados para isto, levando os OEMs e fabricantes de aeronaves a qualificar e garantir seu uso.

Vantagens no uso de semicondutores de potência de ampla banda proibida (WBG) na indústria aeroespacial e de satélites

Materiais WBG, tais como SiC e GaN oferecem muitas vantagens sobre os dispositivos tradicionais baseados em silício (Si), como mostrado na Figura 1.

Figura 1: Comparação das propriedades dos materiais de Si, SiC e GaN. (Fonte da imagem: Researchgate)

Estas vantagens materiais se traduzem em muitos benefícios na eletrônica de potência de aeronaves:

• A maior condutividade térmica, especialmente em SiC, facilita o resfriamento de peças como as usadas para controlar o motor.
• Uma tensão mais alta do sistema reduz as perdas ôhmicas no cabeamento. Isto é especialmente verdadeiro para o SiC, onde os dispositivos comerciais estão disponíveis até 3,3 kV, com pesquisas ativas destinadas a estender isto ainda mais.
• Melhoria da confiabilidade a altas temperaturas. Por exemplo, a operação a mais de 200˚C em SiC foi demonstrada.
• Menores perdas na condução e no chaveamento. A maior banda proibida permite uma região de deriva menor a uma determinada tensão nominal, levando a perdas por condução melhoradas. Além disso, as menores capacitâncias parasitas levam a menores perdas de chaveamento com taxas de inclinação mais rápidas do chaveamento.
• Efeitos parasitas menores também permitem operações em frequências mais altas. Como exemplo, as frequências de chaveamento em um MOSFET de SiC de 1-5 kV podem estar em centenas de kHz, em comparação com as dezenas de kHz possíveis com topologias equivalentes em Si. Os dispositivos HEMT (transistor de alta mobilidade de elétrons) de GaN, embora a maioria esteja disponível na faixa de tensão <700 V, são unipolares e têm outras vantagens sem perdas de recuperação reversa e a capacidade de chavear em vários MHz nesta faixa de 100 volts. A grande vantagem das frequências mais altas é a capacidade de encolher o tamanho dos elementos de indução.

A Figura 2 compara a eficiência dos conversores boost de 100 kHz baseados em GaN e Si.

Figura 2: Comparação da eficiência entre Si e GaN para um conversor boost de 100 kHz. (Fonte da imagem: Nexperia)

Todos os benefícios acima mencionados conduzem diretamente a melhores métricas SWaP e densidades de potência mais altas. Por exemplo, tensões mais altas de filtragem CC a partir do uso de dispositivos de tensão mais elevada criam uma corrente RMS menor da capacitância no capacitor de filtro CC do conversor, o que pode diminuir sua exigência de tamanho. Uma maior frequência de chaveamento permite o uso de elementos de indução planares de alta frequência e fator de forma menor. Em um conversor de energia tradicional, os componentes magnéticos podem representar até 40-50% do peso total, e com o uso de dispositivos ativos WBG operando em frequências mais altas, esta porcentagem está diminuindo. Olhando para isto em termos da densidade de potência gravimétrica de um inversor, os conversores resfriados a ar à base de Si oscilam em torno de 10 kW/kg. Com o uso dos WBGs, esta métrica ultrapassou 25 kW/kg em muitas demonstrações de sistemas, e a obtenção de densidades tão altas quanto 100 kW/kg é mostrada como teoricamente possível com topologias, tensões de filtro CC e frequências de chaveamento otimizadas.

Desafios no uso de semicondutores de potência de ampla banda proibida (WBG) e possíveis soluções

As vantagens acima mencionadas dos WBGs se traduzem, no entanto, em muitos desafios que precisam ser enfrentados. Abaixo estão alguns desses desafios e possíveis soluções que estão sendo exploradas atualmente:

• Densidades de potência mais elevadas se traduzem diretamente em maior geração de calor. As altas temperaturas reduzem a eficiência da conversão de energia e também podem ser uma preocupação de confiabilidade, especialmente quando o ciclo de temperatura envolve mudanças de alta temperatura. O estresse termomecânico pode ter impacto na confiabilidade do encapsulamento do módulo de potência, fazendo com que os espalhadores de calor, tais como os materiais de interface térmica (TIM) como a graxa térmica que conecta os substratos dos dispositivos ativos aos dissipadores de calor, se tornem instáveis, além de aumentar sua resistência térmica. Algumas soluções que estão sendo exploradas incluem:
  • Encapsulamento melhorado: Os invólucros que oferecem resfriamento nos dois lados com substratos de nitreto de alumínio diretamente refrigerado (DBA) com sinterização de prata conseguem uma melhor remoção do calor. Outras abordagens incluem a fusão seletiva a laser (SLM) de dissipadores de calor de liga em pó diretamente sobre os substratos DBA.
  • À medida que o tamanho ativo da pastilha aumenta devido ao aumento das necessidades de energia, o uso de pastilhas paralelas para alcançar a mesma área ativa efetiva pode ser vantajoso para a propagação de calor.
• As transições mais rápidas de chaveamento com WBG, embora boas para reduzir as perdas de chaveamento, criam mais risco de Interferência Eletromagnética (EMI). As soluções para isso incluem:
  • As células filtrantes distribuídas oferecem melhor desempenho e podem proporcionar redundância.
  • O uso de filtros híbridos ativo-passivo usando amplificadores para reforçar as baixas frequências pode reduzir o tamanho efetivo do filtro e melhorar o desempenho.
• À medida que a tensão nominal aumenta, a resistência específica do dispositivo de potência (R_DS(ON) x A, sendo R_DS(ON) a resistência no estado saturado e A a área ativa) aumenta devido à necessidade de uma região de deriva mais espessa. Por exemplo, enquanto a resistência específica à alta temperatura de um MOSFET de SiC a 1200 V possa ser de 1 mOhm-mm², ela pode chegar a 10 mOhm-mm² para um dispositivo com dimensionamento de 6 kV. São necessários dispositivos maiores ou mais dispositivos em paralelo para atingir uma meta R_DS(ON), o que significa custos maiores da pastilha, mais perdas de chaveamento e mais requisitos de resfriamento. Algumas soluções incluem:
• O uso de topologias de conversores de 3 ou vários níveis permite o uso de dispositivos de menor tensão do que a tensão do filtro CC. Isto pode ser especialmente relevante nos dispositivos de GaN com dimensionamento abaixo de kV, onde uma configuração SIPO (entrada em série, saída em paralelo) distribui a tensão de entrada por muitos dispositivos, permitindo assim seu uso.

GaN e comunicações via satélite

Em termos de lidar bem com a radiação, o dispositivo HEMT de GaN é melhor do que ambos MOSFETs de Si e SiC:

• A camada AlGaN sob o eletrodo de porta não coleta carga como o óxido de porta SiO₂ faz em MOSFETs. Como resultado, o desempenho da dose ionizante total (TID) dos HEMTs de GaN de enriquecimento é significativamente melhorado, com relatórios de operação excedendo um Mrad (megarad), enquanto no Si/SiC isto é tipicamente nas centenas de krads (quilorads).
• Os Efeitos Elétricos Secundários (SEE) também são melhorados com o HEMT de GaN. A falta de lacunas minimiza o risco de perturbações de elétrons secundários (SEU), enquanto o risco de ruptura da porta visto em Si e SiC (SEGR) também é minimizado.

Os Amplificadores de Potência de Estado Sólido (SSPAs) baseados em GaN substituíram em grande parte os dispositivos de válvulas termiônicas em muitas aplicações espaciais, como nos satélites de órbita terrestre baixa (LEO), especialmente nas frequências das bandas C até as bandas Ku/Ka.

Conclusão

Os semicondutores WBG como SiC e GaN têm muitos benefícios quando utilizados na comunicação aeroespacial e via satélite. À medida que seus padrões de desenvolvimento tecnológico, uso e confiabilidade amadurecem em aplicações de conversão de energia terrestre; maior confiança será construída em seu uso também em sistemas aeroespaciais e de satélites.