In einer Zeit, in der Subsysteme von Konstruktionen für die Luft- und Raumfahrt immer kleiner, leistungsstärker und komplexer werden, wird auch das Wärmemanagement immer wichtiger. Besonders wenn Luft- und Raumfahrtanwendungen dazu neigen, sehr viel Wärme zu erzeugen, müssen Probleme des Wärmemanagements schon zu Beginn des Konstruktionsprozesses angemessen berücksichtigt werden.
Kommerzielle Flugzeuge der nächsten Generation werden sehr wahrscheinlich mehr Energie verbrauchen als die von heute, weshalb für verarbeitungsintensive Luftfahrtanwendungen das Wärmemanagement wahrscheinlich wichtiger als der Bereich der Energieerzeugung sein wird.
Weiterhin sind die durch das Wärmemanagement bedingten Konstruktionsbeschränkungen eng mit solchen in den Bereichen Größe, Gewicht und Energieverbrauch (SWaP) in eingebetteten Luft- und Raumfahrtsystemen und RF-MMCIs (Monolithic Microwave Integrated Circuits) verbunden. Wenn Konstrukteure die Größe von Kühlsystemen in Spannungsversorgungen reduzieren können, hat dies weit reichende Auswirkungen, da niedrigere Stücklistenkosten zu geringeren Anforderungen an das Wärmemanagement führen können.
Dabei sollte erwähnt werden, dass das Wärmemanagement mehrere Dimensionen umfasst, von kalten Platten, die als flüssigkeitsgekühlte Einfassungen fungieren, bis hin zu Wasserleitungssystemen, die Flüssigkeit und Dampf vom Wärmetauscher wegtransportieren. Weiterhin gibt es Kühlkörper, die die Wärme ableiten.
In diesem Artikel geht es jedoch darum, wie die Auswahl der richtigen Komponenten und Konstruktions-Know-how auf Systemebene Entwicklern ermöglichen, die richtige Wärmemanagementlösung für extreme Bedingungen in der kommerziellen Luftfahrt zu schaffen. Weiterhin geht es darum, wie Systemingenieure die Leistung von RF-Leistungsverstärkern (PAs) und tief eingebetteten Luftfahrzeugsystemen verbessern können, indem Sie den Wärmeverlust begrenzen.
Wärmemanagement mit SiC und GaN
Das Wärmemanagement auf Komponentenebene ist heute wichtiger denn je, da immer kleinere Chipgeometrien bei gleicher Größe immer mehr Wärme erzeugen. Mehr Wärme beeinträchtigt Prozessorgeschwindigkeiten, besonders an Chip-Hotspots, an denen sich die Wärme konzentriert und die Temperaturen schnell steigen.
Heute, da sich deutliche Engpässe im Bereich des Wärmemanagements zeigen, können WBG(Wideband Gap)-Halbleiter wie etwa solche aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) helfen, die die Systemeffizienz und die Leistungsdichte in Luft- und Raumfahrtanwendungen erheblich verbessern können. Ein Halbleitermaterial, dass Wärme schnell ableiten kann, ist ein besonderer Glücksfall für die Luft- und Raumfahrtindustrie, die zahlreiche Gerätschaften nahe zueinander platzieren muss, die viele Kilowatt Wärme erzeugen.
So ermöglichen SiC- und GaN-Geräte etwa den Übergang von der aktiven zur passiven Kühlung bei Stromversorgungen, da die Wärmeleitfähigkeit von WBG-Materialien viel besser ist. Dadurch können Konstrukteure von Stromversorgungssystemen flüssigkeitsbasierte Kühlsysteme ersetzen. Weiterhin ermöglicht eine erhebliche Zunahme der Schaltfrequenz kleinere Systeme und reduziert die Anzahl der Magneten und Kondensatoren. Auch die Metallmenge in Kühlkörpern und Einfassungen lässt sich so verringern.
Anders ausgedrückt: Ein besseres Wärmemanagement bedeutet, dass weniger unterstützende Komponenten benötigt werden, und dadurch auch, dass weniger Teile ausfallen können. Beispielsweise benötigen leichtere Spannungsversorgungen kleinere Magnete, wodurch Kühlkörper kleiner werden können. In manchen Fällen kann dann sogar ganz auf Kühlkörper verzichtet werden.
Die stabile Funktion von SiC- und GaN-Geräten bei höheren Temperaturen ist besonders wichtig für Luftfahrtkonstruktionen mit SWaP-Einschränkungen. Solche Breitbandgeräte ermöglichen leichtere Subsysteme, die wiederum der Luft- und Raumfahrtindustrie helfen, Treibstoffverbrauch und Wärmeemissionen zu senken. Daher überrascht es auch nicht, dass für Konstruktionen im Luft- und Raumfahrtbereich immer mehr auf SiC- und GaN-Halbleiterlösungen gesetzt wird, um Stromrichter für ihre jeweilige Last immer kleiner zu gestalten.
Die Tatsache, dass WBG-Materialien Hochleistungsdichte mit hoher Wärmeleitfähigkeit verbinden können, ermöglicht SiC- und GaN-Geräten, Wärme effizienter abzuleiten als andere Chiptechnologien. Dadurch können diese Halbleitergeräte bei einer vorgegebenen Ausgabeleistungen bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden, was zu größerer Zuverlässigkeit, höheren Durchbruchspannungen und längeren MTBF(Mean Time Between Failure)-Werten gegenüber GaAs und Siliziumgeräten führt (Abbildung 1).
Abbildung 1: Vergleich der Durchbruchnennspannungen für Silizium-, SiC- und GaN-Geräte. Bildquelle: Research Gate
SiC-MOSFETs für Spannungsversorgungen in der Luftfahrttechnik
Die Luftfahrtbranche erkennt immer mehr die potenziellen Vorteile von SiC-Halbleitern für Spannungsversorgungssysteme. Beispielsweise ermöglichen SiC-MOSFETS mit niedrigem Durchlasswiderstand geringere Leitungsverluste und deutlich geringere Auswirkungen von Temperaturschwankungen. Dies bedeutet einen geringeren Bedarf an Wärmemanagement und somit kleinere und wirtschaftlichere Kühlkörper sowie weniger kostspielige Kühlteile.
SiC-MOSFETs lassen erwarten, dass Größe und Gewicht von Leistungsschaltern in Luftfahrzeugen immer geringer werden, was erhebliche Reduzierungen bei Treibstoffverbrauch und Wärmeemissionen mit sich bringen wird. Ihre hohe Wärmeleitfähigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit gegen den Ausfall elektrischer Felder sorgen dafür, dass eingebettetes Wärmemanagement die Leistung der Elektronik in Luftfahrzeugen verbessert.
Nehmen wir das Beispiel von MSC040SMA120B, dem 1.200 V-SiC-MOSFET von Microsemi, einem Tochterunternehmen von Microchip. Diese Lösung ermöglicht ein effektiveres Wärmemanagement in Stromverteilungs-, Auslösungs-, Klimaanlagen- und Motorsteuerungsanwendungen im Luft- und Raumfahrtbereich.
Bei SiC-Geräten in Stromverteilungs- und Motorantriebsanwendungen ist das Management des Gate-Treiber-Konditionierungskreises mittlerweile eine sehr große Herausforderung. Die MSC040SMA120B-SiC-MOSFETs begegnen dieser Herausforderung mit hoher Kanalmobilität, langer Oxid-Lebensdauer und hoher Schwellenspannungsstabilität.
Microchip hat die MSC040SMA120B-SiC-MOSFETs auch in seine MSCSICMDD/REF1-Referenzdesignplatine für einen schaltkonfigurierbaren High/Low-Side-Treiber mit Halbbrücken oder einen unabhängigen Treiber integriert (Abbildung 2). MSCSICMDD/REF1, ein hoch-isolierter SiC-MOSFET-Dual-Gate-Treiber, kann mit Schaltern konfiguriert werden, um als Halbbrückenkonfiguration mit einseitigem Ein- und Totzeit-Schutz zu fungieren.
Abbildung 2: Das Referenzdesign ermöglicht einen hoch isolierten SiC-MOSFET-Dual-Gate-Treiberschalter für die Evaluierung von SiC-MOSFETS in unterschiedlichen Topologien. Bildquelle: Microchip
GaN für die Leistungsverstärkung
GaN-Geräte, wie etwa SiC-Halbleiter, können mit viel höheren Betriebstemperaturen umgehen und bieten hohe Wärmeleitfähigkeit und Durchbruchspannung. Darüber hinaus können GaN-Halbleiter auf einem SiC-Substrat wachsen. Die größere Wärmeleitfähigkeit von SiC-Substraten unterstützt GaN-auf-SiC-Geräte für den Einsatz in Anwendungen mit hoher Spannung und hohem Energieverbrauch, wie sie in der Luft- und Raumfahrt üblich sind.
Ein Beispiel ist etwa die 65-V-GaN-Technologie, die derzeit eine völlig neue Generation von Radarsystemen ermöglicht, die neue Konstruktionsmöglichkeiten für eine breite Palette von Luftfahrtanwendungen eröffnet. Hier ermöglichen GaN-HEMT-(High-Electron Mobility Transistor-)Geräte auf SiC-Substraten eine reibungslose Wärmeableitung und damit langfristige Zuverlässigkeit.
CGHV96100F2 von Wolfspeed, ein GaN-HEMT auf SiC-Substraten, bietet eine hohe Durchbruchspannung, eine gesättigte Elektronendriftgeschwindigkeit sowie hohe Wärmeleitfähigkeit (Abbildung 3). Dazu ist dieses Produkt in einem Metall- oder Keramikgehäuse erhältlich, um die elektrische und die thermische Leistung zu erhöhen.
Abbildung 3: Der GaN-Transistor unterstützt eine Ausgabeleistung von 100 Watt und eine Betriebsfrequenz von 7,9 bis 9,6 GHz.
Bildquelle: Wolfspeed
GaN-Geräte – HEMTs und MMICs – werden in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Flugzeugradargeräten immer beliebter, weil sie eine elegante Möglichkeit bieten, durch Erhöhung der Spannung die RF-Leistung gegenüber Silizium-Germanium(SiGe)-, Galliumarsenid(GaAs)- und siliziumbasierten Lateral-Diffusion-MOSFET-(LDMOS-)Technologien zu steigern.
Für Luftfahrzeuge werden zunehmend PAs mit höherer Leistung in Nutzlasten und Flügelspitzen eingebaut, wo hohe Anforderungen an das Wärmemanagement gelten. GaN-Geräte ermöglichen nicht nur höhere Spannungs- und Leistungsverstärkung, sie sind auch sehr wichtig für die Entwicklung von Lösungen mit geringem Gewicht, besonders für Luftfahrzeugdesigns mit großen Platzbeschränkungen.
Schlussfolgerung
Der Bedarf an höherer Leistungsdichte verlangt zwingend deutliche Verbesserungen im Bereich der Kühlung bei eingebetteten Systemen in der Luft- und Raumfahrt. Die Luft- und Raumfahrtindustrie, die oft mit großen Platzproblemen umgehen muss, benötigt auch leichtere Konstruktionen, die den Herausforderungen auf dem Gebiet des Wärmemanagements begegnen.
Wie dieser Artikel zeigt, können SiC- und GaN-Geräte diese Anforderungen im Zusammenhang mit komplexem Wärmemanagement in eingebetteten Luftfahrzeugsystemen erfüllen. Diese WBG-Geräte befinden sich aber noch in einer relativ frühen Entwicklungsphase und sind noch nicht vollständig einsatzbereit. Systemkonstrukteure in der Luft- und Raumfahrtindustrie müssen ihre Komponenten daher sehr sorgfältig auswählen, um sicherzustellen, dass die gewählten Geräte die jeweils spezifischen Anforderungen an das Wärmemanagement erfüllen.
