Moduli di potenza SiC per i sistemi elettrici dei velivoli

I progettisti stanno progressivamente lavorando su soluzioni più efficienti per ridurre le emissioni nei sistemi aeronautici, con più elettronica nei sistemi di controllo, compresi quelli che sostituiscono la pneumatica e l’idraulica, dagli alternatori di bordo agli attuatori e alle unità di potenza ausiliarie (APU).

Microchip Technology ha sviluppato i moduli di potenza BL1, BL2 e BL3 basati su SiC senza base per l’industria aerospaziale, Ciò, in collaborazione con Clean Sky, un consorzio congiunto della Commissione europea (CE) e dell’industria.

Questi moduli consentono una conversione di potenza e sistemi di trasmissione del motore più efficienti, leggeri e compatti.

Le dimensioni più piccole e il peso inferiore equivalgono a vantaggi in termini di costi a lungo termine per l’aviazione grazie a un volo più efficiente“.

Mike Innab, Senior Manager di Integrated Power Solutions presso Microchip, ha dichiarato a Power Electronics News che i fattori più importanti nei convertitori di potenza aerospaziali, sono dimensioni, peso e costo.

Nel settore degli aeromobili altamente competitivo, anche l’affidabilità e la resistenza a lungo termine dei prodotti sono fondamentali“, ha affermato Innab.

Inoltre, ha affermato che nell’aviazione, così come in molti altri settori, si cerca di sostituire i sistemi pneumatici e idraulici più grandi, più pesanti e di difficile manutenzione con sistemi elettromeccanici più piccoli, più leggeri e che richiedono poca manutenzione.

Il costo di esercizio complessivo dei sistemi elettromeccanici è significativamente inferiore a quello dei sistemi pneumatici o idraulici.

Questi velivoli più elettrici ora hanno una maggiore quantità di elettronica di potenza a bordo, richiedendo la necessità di avere sistemi di alimentazione più piccoli, più leggeri e più efficienti. Come affermato in precedenza, i semiconduttori SiC lo consentono“, ha spiegato Innab.

SiC Mosfet e diodi

Per soddisfare i limiti di emissione fissati dalla CE per l’aviazione a impatto climatico zero entro il 2050, la famiglia di prodotti di Microchip mira a offrire una maggiore efficienza nella conversione e generazione di energia da CA a CC e da CC a CA attraverso l’integrazione del suo semiconduttore di potenza in carburo di silicio.

SiC promette componenti più leggeri per un minor consumo di energia e minori emissioni per l’industria aerospaziale. Questo materiale consente una maggiore densità di potenza, date determinate tensione e corrente nominale, in un dispositivo più piccolo e leggero.

Innab ha evidenziato che i semiconduttori SiC, grazie alla loro capacità intrinseca di commutare molto più velocemente dei semiconduttori al silicio (Si), si traducono in sistemi di alimentazione molto più compatti ed efficienti, con perdite inferiori e minor produzione di calore.

Le caratteristiche fisiche del SiC consentono una struttura fisica ideale per l’elettronica ad alta potenza, migliorando forma e peso, quest’ultimi requisiti fondamentali per l’aviazione.

La maggiore frequenza di commutazione e la minore dispersione di calore consentono sistemi di conversione di potenza molto più piccoli e leggeri, riducendo le dimensioni dei componenti passivi e riducendo le esigenze di raffreddamento.

L’accumulo di energia (condensatori) e i componenti magnetici (trasformatori e induttori) utilizzati nei sistemi di conversione di potenza sono ridotti in termini di dimensioni e peso quasi proporzionalmente all’aumento della frequenza di commutazione; quindi, le frequenze di commutazione più elevate ottenibili grazie all’utilizzo del SiC producono una potenza minore e sistemi di conversione più leggeri”, ha affermato Innab.

Inoltre, Innab sostiene che la maggiore velocità di commutazione dei semiconduttori SiC riduce anche la dissipazione di potenza nel sistema, riducendo così al minimo il tempo in cui la corrente e la tensione passano tra i loro estremi, stadio in cui si ha perdita; quindi, minore è il tempo in questo stadio, minore sarà la perdita di potenza complessiva.

Ciò porta anche a una riduzione delle tecniche di raffreddamento del sistema.

Tutto questo si traduce in un sistema più piccolo, più leggero, più efficiente e più conveniente. Il SiC è ancora una novità per l’industria aeronautica, dove la resistenza e l’affidabilità a lungo termine sono fondamentali.

L’industria aeronautica è in genere lenta nell’adottare nuove tecnologie poiché la fiducia richiede tempo per svilupparsi completamente“, ha commentato Innab.

I nuovi moduli di alimentazione hanno un substrato migliorato ed offrono risparmi in termini di costi e peso. Microchip sottolinea che la struttura è più leggera del 40% rispetto ad altre per potenze da 100W a 10kW, in modo da non avere la necessità di una piastra di base in metallo.

I dispositivi BL1, BL2 e BL3 di Microchip soddisfano tutte le linee guida di conformità meccanica e ambientale stabilite in RTCA DO-160G, “Condizioni ambientali e procedure di test per apparecchiature aviotrasportate“, versione G (agosto 2010). La famiglia comprende MOSFET al carburo di silicio e diodi a barriera Schottky (SBD), nonché IGBT.

Sono disponibili in fattori di forma a basso profilo e a bassa induttanza con connettori direttamente sul PCB per ridurre i tempi di sviluppo e aumentare l’affidabilità complessiva del sistema.

Il layout consente loro di essere collegati in parallelo o in un ponte trifase e altre topologie per realizzare convertitori di potenza e inverter più sofisticati.

Gli SBD vengono utilizzati per isolare le alte tensioni e gli SBD SiC sono più robusti alle tensioni più elevate rispetto al Si perché sono dispositivi a banda larga. I semiconduttori SiC sono in genere più piccoli dei semiconduttori Si comparabili e funzionano anche a temperature più elevate, risultando in dimensioni più ridotte e un funzionamento più affidabile“, ha affermato Innab.

I moduli sono disponibili come MOSFET al carburo di silicio da 75A e 145A, 50A come IGBT e 90A come uscite a diodi raddrizzatori. In pacchetti che erogano da 100 W a oltre 10 KW di potenza, i moduli BL1, BL2 e BL3 sono disponibili in numerose opzioni di topologia, tra cui phase leg, full bridge, asimmetrico bridge, boost, buck e dual common source.

Attualmente, i dispositivi standard in silicio rappresentano ancora la maggior fetta di mercato dell’elettronica di potenza. Inoltre, stanno emergendo nuove soluzioni in carburo di silicio, quest’ultimo rappresenta infatti il nuovo elemento semiconduttore che sarà in grado di affrontare le sfide ad alta potenza del prossimo futuro.

Il carburo di silicio ha una rigidità dielettrica dieci volte quella del silicio, offrendo così la possibilità di costruire dispositivi che funzionano a tensioni più elevate e soddisfano i requisiti nel campo dell’aviazione, nonché nelle infrastrutture di ricarica e nelle smart grid.

Fonte: https://www.powerelectronicsnews.com/sic-power-modules-for-aircraft-electrical-systems/

Redazione Fare Elettronica