作者：羅寧勝 ,曹建武；CISSOID中國代表處，深圳 518118 ? ? ? ? ?

隨著碳化硅半導體技術的進步，航空電子系統(tǒng)也呈現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。碳化硅功率器件的成熟極大地促進了航空機載傳感器、執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)設計等層面的演進，具體體現(xiàn)在航空電子控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)從集中到分布式的轉(zhuǎn)變，以及執(zhí)行機構從液壓或氣動到電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)變這一航空電子系統(tǒng)的總體趨勢。特別是高溫SOI半導體和碳化硅功率器件的結合，其整體的耐高溫性能將能很好地滿足多電和全電飛機航空電子系統(tǒng)的設計需求。

過去十余年以來，飛機的燃料成本增加了約50%；2020年之后，更因為全球供應鏈的劇烈變化，航空燃油價格繼續(xù)飆升，預期2022年全球商業(yè)航空因為燃油成本造成的虧損，將會高達數(shù)十億美元。為了增加可維性、減低重量、提高燃油效率，進而增加續(xù)航里程、降低排放，并節(jié)約商業(yè)飛行成本，飛機系統(tǒng)設計需要進行革命性的升級，由此，各項先進研究項目早以展開。其中，極具代表性的歐盟清潔天空聯(lián)合創(chuàng)新項目（Clean Sky joint Technology Initiative）肇始于2008年,集合了發(fā)達國家的多數(shù)頭部企業(yè)，現(xiàn)已歷經(jīng)兩期（Clean Sky 2008-2017和Clean Sky2 2014-2024), 其目標不僅是降低商業(yè)飛行的運營成本，而且還要顯著地降低排放，其預期到2050年實現(xiàn)降低75%的CO2排放、90%的NOx排放。該項目中有些部分已采用了DO-160 （Environment Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment）標準，其中已要求某些機載電子元器件在200℃ 環(huán)境中工作壽命要達到或超過50000飛行小時。

越來越多的高溫電子元器件的使用主要為了支持實現(xiàn)新型的飛機系統(tǒng)設計。這樣，在承載同等或更高載荷的條件下，可降低飛機的自身重量；為能實施更為精細的發(fā)動機控制，提高發(fā)動機的燃油效率，因而控制系統(tǒng)需要從傳統(tǒng)的集中式“全權數(shù)字發(fā)動機控制”（Full Authority Digital Engine Control，F(xiàn)ADEC）向“分布式”FADEC演進；為了減輕重量和配合飛機整體分布式設計，原有的液壓或氣動部件也在逐漸轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動。

航空電子技術所依賴的電子元器件的工作溫度范圍和工作壽命，直接影響著飛機的系統(tǒng)設計：過去，航空應用只能在成熟的、經(jīng)過驗證的軍標溫度范圍（-55~+125°C）內(nèi)選擇電子元器件，而高溫半導體技術近年來得到了長足進步，特別是高溫“絕緣層上硅”（Silicon On Insulator，SOI）技術，還有“碳化硅”（Silicon Carbide，SiC）、 “氮化鎵”（Gallium Nitride，GaN）等第三代“寬禁帶”（Wide BandGap，WBG）半導體技術的發(fā)展，使得-55~+175°C甚或-55~+225°C，或者更高溫度范圍的電子器件日益涌現(xiàn)，給航空機載電子設備的設計打開了一扇新的窗口：這些技術使得因更小體積、更高功率密度而需耐受更高溫度的航空電子設備的設計，成為可能。

航空應用對高溫電子技術的要求

航空系統(tǒng)上的高溫，通常有如下三個來源：

·第一，來自飛機的動力系統(tǒng)，即飛機的引擎和排氣裝置。引擎燃燒室的溫度可以高達幾千度，飛機控制系統(tǒng)需要實時監(jiān)測燃燒的狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)燃料和空氣的比例來控制燃燒過程，以求實現(xiàn)最高的燃燒效率。為了實現(xiàn)對引擎高效的實時監(jiān)測和控制，相關傳感器和電子器件需要盡可能地靠近引擎，視具體配置位置，有可能需要耐受300~600°C的高溫；

·第二，飛機在高速飛行時，飛機表面與空氣摩擦生熱。超音速飛行時，機體表面的溫度可高達200℃以上；超音速飛行的飛行器在大氣環(huán)境中降速時，機體前端由于空氣的壓力和摩擦所產(chǎn)生的熱量尤其大，往往還需要配備額外的熱防護層；

·第三，是電子元器件自身發(fā)熱。所有電子元器件都有一定的內(nèi)部耗散功率，如果導熱和散熱設計不良，特別是在高空飛行的空氣稀薄的環(huán)境，設備內(nèi)部的溫升過高，將會導致非常嚴重的可靠性問題。

面對飛機上的熱源和高溫環(huán)境，為了保護其電子元器件，傳統(tǒng)的做法是在布置電子設備時盡量規(guī)避高溫區(qū)，或外加熱防護系統(tǒng)，如配備環(huán)境控制系統(tǒng)（Environment Control System, ECS）。例如，在早期的集中式FADEC系統(tǒng)中，發(fā)動機周邊的傳感器信號，被用屏蔽電纜饋送到遠端的中央處理機處，而中央處理機一般安裝在有空調(diào)或冷卻裝置控制溫度的艙室中。當所有的傳感和執(zhí)行信號都必須送到一個中央處理機進行集中處理時，飛機上就要布設復雜、龐大的線束，既占用飛機的寶貴體積，也增加了飛機的重量，并帶來了更多的可靠性、安全性問題。

在某些受限的情況下，溫度問題就成了設計瓶頸。例如，飛機的武器系統(tǒng)通常被安放或掛載于機翼和機體下方，其電子控制裝置通常已經(jīng)沒有空間去配備冷卻系統(tǒng)了；即便有些情況下可以配置冷卻裝置，鋪設的液體管道和線束，也會帶來復雜的可靠性問題。

對技術平衡點的選擇歷來是工程設計中的一個復雜的綜合考慮過程。目前，基于傳統(tǒng)體硅半導體性能，航空應用一般將環(huán)境溫度極限標準定格在最高110℃，而最高結溫為125℃以下，實際上，現(xiàn)在許多航空應用將結溫控制在約60℃左右，主要原因受限于體硅半導體器件的性能。要維護電子元器件的限制溫度對飛機是很大的負擔，尤其是在空間受限的機翼區(qū)域則更加困難。冷卻系統(tǒng)通常需要占用飛機重量的10%（功率約50KW），嚴重影響飛機的整體性能。如果能將殼體允許最高溫度僅提升至150℃，并適當提高結溫的控制溫度點，也許有一些位置的冷卻裝置和環(huán)境控制系統(tǒng)就不再需要了。這樣一來，體積、重量、功耗和成本都可以節(jié)省?？傊?，電子元器件的耐高溫性能對飛機整體性能的改進有著很大的影響。

在實際設計應用系統(tǒng)的時候，人們總是會受到材料的限制，而必須作相應的綜合考慮和妥協(xié)以實現(xiàn)可接受的設計。也就是通過平衡材料和技術的極限，正如通過平衡機體材料的強度和重量，懷特兄弟能夠?qū)崿F(xiàn)他們的首次飛行。之后人們通過不斷地采用新材料和新技術，不斷在新的平衡點實現(xiàn)新型的飛機設計，不斷改進和創(chuàng)造出新型飛機。航空電子系統(tǒng)的作用也就是如此，它作為現(xiàn)代飛機的重要部件，關系到飛機的發(fā)動機和飛行狀態(tài)控制、通訊遙感和導航、武器系統(tǒng)（如火控、制導和電子對抗）等等。飛機的應用目標和環(huán)境對電子元器件有其特殊的要求，往往新型的電子器件不僅能提升飛機的效率，而且還能促成實現(xiàn)全新的設計理念。因此，耐高溫的電子元器件也一直為航空航天領域所重視。

從1970年代起，基于機械、液壓驅(qū)動和混合模擬發(fā)動機控制的數(shù)字化、集中式FADEC已經(jīng)走過了60多年，目前已經(jīng)是各種飛機電子控制系統(tǒng)的標配。近年來該領域的發(fā)展轉(zhuǎn)向了“分布式FADEC”，這主要是因為：

·飛機減重的要求。經(jīng)典的FADEC要求需要通過笨重的屏蔽線束回傳傳感器信號，經(jīng)過中央計算機的計算、處理，發(fā)布指令指示執(zhí)行機構進行動作，這些傳輸需要復雜、昂貴、笨重的多芯線束和連接器，既占用了較大的體積和重量，也帶來了更多的可靠性問題；先進的飛機越來越多的采用分布式FADEC以獲得顯著的改善。在分布式FADEC體系中，信號經(jīng)常只需使用4線制的輕量線束傳輸（一對差分數(shù)字信號，一對電源和地線），大大簡化了線束，消滅了傳統(tǒng)航空接插件的絕大多數(shù)額外的引腳，既簡化了防護，又顯著的減少了接插件的數(shù)目和重量；

·分布式控制要求傳感器和執(zhí)行機構，甚至其電源管理系統(tǒng)盡量分散且接近任務現(xiàn)場。例如，發(fā)動機信號測量需要緊鄰發(fā)動機（環(huán)境溫度高達300-600°C），而機翼動作執(zhí)行機構需要貼近目標機翼，等等。這些地方往往無法配備水冷機構，只能依賴風冷或機體背板自然冷卻，因而需要電氣系統(tǒng)具備耐高溫特性；

另外，執(zhí)行機構的電氣化也使得分布式設計越來越容易達成，其系統(tǒng)響應速度遠遠高于傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)架構。過去飛機的調(diào)姿轉(zhuǎn)向等動作主要依靠液壓或氣動部件實現(xiàn)，這些部件依賴于精密機械配合，制造成本高、故障率高而可維性差；而電機驅(qū)動式的“固態(tài)”執(zhí)行器，響應速度快，重量輕體積小，故障率低而可維性高；據(jù)估計，一體化的電機執(zhí)行器響應時間僅為液壓執(zhí)行器的五分之一以下，同等驅(qū)動功率時的體積和重量僅為后者的三分之一以下?；隗w積重量和可靠性的原因，飛機中的電機系統(tǒng)一般不允許再配備液體冷卻機構，只能依靠風冷和背板自然冷卻，因此其配備的電力電子的耐高溫能力面臨很大的挑戰(zhàn)。

總之，飛機系統(tǒng)因自身高溫環(huán)境（如發(fā)動機周邊）傳統(tǒng)上需要高溫器件支持之外，近年來飛機系統(tǒng)的分布式控制設計趨勢，和執(zhí)行系統(tǒng)由液壓和氣壓傳動向電機傳動轉(zhuǎn)變的趨勢，都在推動著對高溫電子技術的新的需求。

高溫電子技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

提高電子設備的最高工作溫度等級需要面對頗多技術挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)涉及高溫電子技術的各個方面，包括高溫半導體芯片的設計、制造和封裝，耐高溫的被動元件，焊接和組裝的材料和工藝，以及從芯片到模塊、再到電路板，乃至系統(tǒng)級別的熱設計和熱管理等等。

高溫電子技術的核心是高溫半導體芯片技術。當環(huán)境溫度升高到150-200℃時，硅基的本征載流子濃度顯著升高，不僅硅基襯底幾乎完全導電，而且PN結勢壘也接近消失，從而導致半導體的基本功能崩潰，幾乎完全導電而淪為“導體”。因此，普通體硅半導體是不適合高溫應用的。目前成熟且已實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的高溫半導體芯片技術主要有兩種，一是高溫SOI技術，另一是寬禁帶半導體技術（如SiC和GaN）。前者適合于做高溫集成電路器件，后者適合于做高溫功率器件，兩者是很好的互補。

- 高溫SOI 技術

SOI 是一種用于集成電路制造的新型原材料和工藝，有望替代目前大量應用的體硅工藝。如圖1（a）所示體硅MOSFET結構，相比之下，SOI工藝在襯底結構中增加了一個絕緣體夾層，其上方一層為有源硅層，而下方的硅層只是起到支撐作用，如圖1（b）所示。該絕緣夾層可以由SiO2、氮化硅、Al2O3或其它絕緣材料構建，取決于具體的實現(xiàn)工藝。由于硅與SiO2的結合界面性能穩(wěn)定，所以SiO2成為了目前常見的主流SOI絕緣層材料。SOI結構中的SiO2絕緣層，有效地減小了MOSFET漏極和源極的實際PN結面積，使得漏極和源極的反向泄漏電流大大降低，為高溫性能的提升奠定了基礎。另外，可通過工藝和材料的選擇來加固其高溫工作的可靠性。

圖1 （a）N溝道MOSFET體硅工藝；（b）N溝道SOI工藝

SOI獨特的“Si/絕緣層/Si”三層結構，帶來了諸多優(yōu)勢：首先，“絕緣埋層”實現(xiàn)了器件功能有源部分和襯底的全介質(zhì)隔離，減小了寄生電容，開關頻率得以提高；其次，由于較小的PN結面積，顯著降低了泄漏電流，SOI 器件的自身耗散也減小了; 再者，絕緣層的存在隔斷了有源部分通過硅襯底而互通的電流通道，徹底消除了“閂鎖”（Latch Up）效應；另外，絕緣夾層結構抑制了硅襯底產(chǎn)生的脈沖電流干擾（如輻射粒子激發(fā)等），減少了偶發(fā)錯誤的產(chǎn)生，具很好的抗輻照特性；最后，SOI與現(xiàn)有體硅工藝設備、流程基本兼容（除少數(shù)高溫SOI器件工藝需要特殊設備外），具備極佳的商業(yè)量產(chǎn)可實施性。

目前，基于SOI（Silicon on Insulator，絕緣層上硅）的獨特高溫半導體技術，已全面突破了普通體硅半導體器件的溫度困境，有效地消除了溫度載流子效應對器件性能的影響。通過對SOI器件進行適當?shù)臉嬙旌凸に囋O計，如盡可能減少源漏間結面積和耗盡區(qū)寬度，可大幅地減小了反向泄漏電流，極大地提升器件的各項高溫性能；同時采用高激活能材料的金屬系統(tǒng)，實施鈍化膜保護工藝等等，可大幅地提高器件的高溫可靠性；目前，基于SOI工藝的半導體器件，商業(yè)實現(xiàn)普遍做到了225°C，部分研發(fā)實現(xiàn)了300°C，少數(shù)前沿探索正在向400°C的穩(wěn)定實現(xiàn)演進。高溫SOI技術已被廣泛應用于石油鉆探、航空航天、國防裝備等尖端領域。

- SiC和GaN器件的特性

作為“第三代”、“寬禁帶”半導體材料，SiC和GaN器件具有若干先天的優(yōu)點，這些優(yōu)點來自于對應材料的本質(zhì)特性，參見圖2：

圖2 SiC、GaN和體硅的本質(zhì)特性之比較

圖2中可見，SiC和GaN新型半導體材料幾乎在每個基礎指標上都顯著超越了體硅，特別是SiC材料，在熱導率、熔點方面的效能，幾乎為體硅的2.5~3倍。很寬的禁帶寬度使得SiC和GaN天生就比體硅器件更耐高溫；從現(xiàn)有產(chǎn)品的額定結溫來看，基于體硅的半導體器件，例如軍品級，一般都標注為最高結溫125℃，而普通的SiC和GaN器件，多數(shù)都標注為175℃，少數(shù)標注為200℃；其實，SiC和GaN器件可工作溫區(qū)遠不止于此，其管芯本身可在500℃甚至更高溫度下長期穩(wěn)定地工作；而目前175℃、200℃的額定溫度，是受到封裝技術及應用成本的限制。隨著業(yè)界高溫封裝產(chǎn)業(yè)能力的提升，更高溫度等級的SiC和GaN器件將很快得到普及。

- CISSOID的SiC MOSFET IPM

高溫SOI器件已經(jīng)獲得了完全的商業(yè)化生產(chǎn)和供應。以CISSOID公司為例，其從事高溫SOI器件的設計和制造，已有20多年歷史；目前已能提供10多個種類100多個型號的高溫SOI器件，包括二極管、MOSFETs、電壓參考器、電壓調(diào)節(jié)器、PWM控制器、柵極驅(qū)動器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、比較器、運算放大器、邏輯器件、時鐘發(fā)生器和計時器等等。根據(jù)封裝形式的不同，分為兩大系列：CMT系列為高溫塑膠材質(zhì)封裝，最高結溫為175℃；而CHT系列則為金屬陶瓷封裝，最高結溫為225℃。綜合平衡管芯和封裝的設計和現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化工藝條件，目前CISSOID所提供的高溫SOI器件的高溫工作壽命可達約15年（最高結溫175℃），或約5.5年（最高結溫225℃），又或約2.5年（最高結溫250℃），以及約1.3年（最高結溫280℃）；其規(guī)律是，近乎于溫度每升高25℃，器件壽命將約減少一半；在300℃以上時，其SOI器件也還有幾千小時的工作壽命。

另一方面，近年新興的寬禁帶化合物半導體（SiC、GaN等），天生具有卓越的高溫性能，其工作溫度已被實驗證明可達500℃甚至更高，而以SiC器件的高溫性能最為杰出。近期，SiC的商業(yè)化進展程度也表現(xiàn)尤為突出，由電動汽車應用的大量需求所推動，SiC器件已經(jīng)開始了大規(guī)模量產(chǎn)和全面普及，必然在電力電子應用的各個領域逐步替代傳統(tǒng)的體硅IGBT功率器件。

SiC功率器件高溫應用的高溫封裝技術也在加速演進。為了配合這一發(fā)展的整體趨勢，CISSOID 公司利用其高溫SOI的技術優(yōu)勢，開發(fā)了專為降低開關損耗并提高功率密度、風冷型三相全橋碳化硅SiC MOSFET智能功率模塊(IPM)技術平臺系列（圖3）。針對航空航天領域的風冷應用，部分IPM采用了平面基板，可以方便地結合到散熱器或框架結構上。該IPM技術平臺可迅速調(diào)配以適應不同的電壓、功率檔級，極大地加速了基于SiC的功率轉(zhuǎn)換器的設計，實現(xiàn)更高效率和更高功率密度。

圖3：帶有平面底板的SiC智能功率模塊

智能功率模塊(IPM)意味著功率模塊和柵極驅(qū)動器的集成。功率模塊和柵極驅(qū)動器的協(xié)同設計能夠通過仔細調(diào)節(jié)dv/dt和控制快速開關固有的電壓過沖來優(yōu)化IPM，以實現(xiàn)最低開關能量損耗。CISSOID的柵極驅(qū)動器是基于高溫SOI半導體技術開發(fā)的，具有獨特的耐高溫穩(wěn)定性，可與耗散數(shù)百瓦的功率組件緊密集成。這樣，有助于減少柵極環(huán)路寄生電感，實現(xiàn)快速開關和降低開關損耗，并避免寄生導通的風險。CISSOID的柵級驅(qū)動器配有負驅(qū)動和有源米勒鉗位（AMC）、去飽和檢測（DeSAT）、軟關斷（SSD）等防護保護機制，還有欠壓鎖定（UVLO）、DC總線電壓監(jiān)視系統(tǒng)及模塊內(nèi)部的溫度監(jiān)控等。通過提供匹配的整合的方案，CISSOID的IPM平臺使客戶能夠大大加快他們的系統(tǒng)設計。

CISSOID 的高溫SOI半導體芯片技術，是高功率風冷IPM模塊成為可能的前提 (型號：CMT-PLA3SB340AA和CMT-PLA3SB340CA)；這些型號是專為無法使用液體冷卻，例如航空機電執(zhí)行器和功率轉(zhuǎn)換器的高溫應用而設計的。這些型號的額定阻斷電壓為1200V，最大連續(xù)電流為340A；導通電阻僅有3.25mΩ和2.67mΩ，標稱開關損耗則僅為8.42mJ和7.05mJ （在600 V/300A條件下）。該功率模塊的額定結溫為175℃，柵極驅(qū)動器的額定環(huán)境溫度為125℃，通過AlSiC扁平底板冷卻，熱阻較低、耐熱性強。另外，依據(jù)應用條件和場景的需求，通過更換更高溫度等級的被動元器件和主要芯片及模塊的封裝，CISSOID的IPM還可以進一步提升運行溫度等級。此外，CISSOID也正在開發(fā)單相和兩相的IPM模塊，以便于靈活地組合成不同的電力拓撲結構來針對各種不同的應用。

航空領域的典型應用

- 分布式執(zhí)行控制系統(tǒng)和配電方式

參考前文，目前先進飛機的設計越來越多地趨于采用分布式設計。分布式系統(tǒng)可以就地收集發(fā)動機狀態(tài)，及飛機體內(nèi)和蒙皮的各種傳感器信號，通過數(shù)字化等處理后，經(jīng)由統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線傳送給主機。就地處理意味著傳感器和執(zhí)行器更為接近前端現(xiàn)場，而那些位置通常無法配備冷卻系統(tǒng)。

因此，分布式系統(tǒng)更需要耐高溫的傳感控制驅(qū)動單元，這往往需要耐溫200℃以上的電子元器件，及同等溫度等級的連接器、線纜等輔助材料。首先采用高溫電子器件將傳感模擬信號數(shù)字化，例如有關發(fā)動機運行狀態(tài)的溫度、壓力、燃料供給和效率等等，都需要前端采集模擬傳感信號并數(shù)字化后經(jīng)過數(shù)字總線上傳；反之，經(jīng)過中央控制器計算下達的動作指令，也通過數(shù)字總線傳輸?shù)轿挥谇岸爽F(xiàn)場的執(zhí)行部件。

分布式系統(tǒng)的益處：第一，通過數(shù)字化傳輸簡化了飛機線束，減少了大量笨重的屏蔽線纜饋線；第二，顯著減少了各部件之間的連接器數(shù)目，在減重的同時也提高可靠性；第三，控制單元分散布局，相比集中控制，提高了飛機的生存能力；第四，減少或消除了諸多水冷裝置，能夠大大地減少體積和重量。

類似于執(zhí)行控制系統(tǒng)的分布式，飛機配電也趨向采用分布式，即飛機上除了一個電源中心外， 還有若干個分中心，每個電源分中心由電源二次分配組件SPDA（Secondary Power Distribution Assembly)和遠程電源分配組件RPDU（Remote Power Distribution Unit）進行控制。這種配電方式的控制設備和控制邏輯會較為復雜，但大大減輕了配電導線的重量，且因負載端接近不同的電源中心，其負載電壓也容易保持穩(wěn)定。然而，負載端也許不具備很好的冷卻環(huán)境，這樣就需要其電力電子有很好的耐高溫能力。

- 多電飛機的電機驅(qū)動和電源變換器

傳統(tǒng)飛機的舵面、翼面等姿態(tài)操控，都是由液壓和氣壓驅(qū)動的機械裝置完成的；此外，在發(fā)動機轉(zhuǎn)向噴口及發(fā)動機反推動作控制，以及艙門、起落架、剎車及地面轉(zhuǎn)向駕駛等處，也還大量地使用了液壓或氣壓部件。液壓和氣壓裝置的弱點在于其密封，由于采用流體或氣體傳遞壓力，因而傳遞效率較低，故障率高，且不適合遠距離傳動；僅以液壓為例，液壓系統(tǒng)對油溫變化較為敏感，運動部件的速度不易保持穩(wěn)定；液壓系統(tǒng)的體積和重量龐大，受環(huán)境影響很大并且維護成本很高。目前，新型設計已趨向于部分或全部地實現(xiàn)電氣化，用電機驅(qū)動替代機械式的液壓和氣壓執(zhí)行機構，此即多電飛機的概念。

電機驅(qū)動全固態(tài)化，響應快，并且可靠性高、可維護性強，方便冗余備份設計；電機驅(qū)動還可以大大減小部件的體積和重量，這對飛機本身尤為重要。另外，電氣化也使分布式執(zhí)行控制更容易實現(xiàn)。

然而，多電飛機上的電機和電控一般不充許再配備液冷，只能依靠強制風冷和背板散熱器冷卻；舊式的飛機可以利用液壓油路系統(tǒng)兼職冷卻，而現(xiàn)在改為電驅(qū)動執(zhí)行部件，消除了液壓體系，如果再專門配置液冷系統(tǒng)來保證散熱，那就是走回頭路、做無用功了。因此，實現(xiàn)多電或全電飛機的電控設計，第一個面對的技術挑戰(zhàn)就是功率和驅(qū)動電路的耐高溫設計；耐高溫SOI驅(qū)動器件和電路匹配以碳化硅功率模塊，為解決這一航空領域的技術難題鋪平了道路。

除電機驅(qū)動外，多電飛機對電力電子變換器也提出了新的要求。多電飛機的主要電源采用變頻交流電源或高壓直流電源，容量可高達幾十乃至幾百KW級，用電設備大幅度增加，因此需要各種不同類型的電力電子變換器進行電能變換，包括AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC和固態(tài)開關等?；赟i的傳統(tǒng)電力電子器件已不再能滿足多電飛機對高溫、高效率、高功率密度及高可靠性的要求。因此，耐高溫SOI及碳化硅器件融合的智能功率模塊，就成為了多電飛機電源變換器的首選。

- 電動飛機

電動飛機（Electric aircraft)是依靠電動機飛行的飛機，其使用的電力來自蓄電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容器、無線能量傳輸，或其它種類等；鑒于電動飛機減重需求壓力很大，一般無法接納體積和重量龐大的液體冷卻系統(tǒng)和液壓或氣壓傳動系統(tǒng)，一般也只有風冷散熱條件，此時，電機驅(qū)動總成的熱管理就面臨著很大的挑戰(zhàn)。在此，耐高溫SOI及碳化硅器件融合的智能功率模塊，又成為不二的解決方案。

類似于電動汽車，受到電池容量的限制，電動飛機也有里程焦慮，因而追求最高的能源效率，以實現(xiàn)最大的續(xù)航里程，因此也趨向于從體硅IGBT器件，轉(zhuǎn)向基于SiC/GaN功率器件來構建電源和電控系統(tǒng)。如此，不僅能獲得更高的能源轉(zhuǎn)換效率，還能耐受更高的溫升。

結論

高溫SOI技術通過器件結構的改進，突破了體硅器件的溫度困境；采用改良的金屬化系統(tǒng)和高溫加固工藝，大大提高了器件的高溫可靠性。隨著第三代半導體功率器件的日趨成熟和普及，其固有的高溫性能與高溫SOI集成電路形成了非常理想的搭配。由此，為飛機系統(tǒng)設計工程師打開了一扇新的窗口，為全面實現(xiàn)分布式設計和電氣化設計，奠定了基礎。

編輯：黃飛

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