Semiconductores de amplio salto energético en aplicaciones aeroespaciales y de satélites

Los semiconductores de banda ancha (WBG) aportan varias ventajas en la conversión de potencia, como el aumento de la densidad de potencia y la eficiencia, al tiempo que reducen el tamaño y el peso del sistema gracias a una mayor frecuencia de conmutación que permite utilizar componentes pasivos más pequeños. Estas ventajas pueden ser aún más importantes en los sistemas de alimentación aeroespaciales y de satélites, donde el tamaño y el peso son fundamentales. En este artículo analizamos las ventajas relativas de componentes de WBG como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) en estas aplicaciones.

Conversión de potencia en aviones

A medida que el mundo avanza hacia un futuro más ecológico, la atención se ha centrado en los métodos para reducir las emisiones de las aeronaves tradicionales propulsadas por gas. Algunos enfoques que se están considerando son:

• Aviones más eléctricos (MEA): El objetivo en este caso es sustituir algunos de los accesorios del motor accionados mecánica o hidráulicamente por componentes accionados eléctricamente (por ejemplo, las bombas de combustible).
• Propulsión más eléctrica (MEP): En este caso se utilizan generadores eléctricos para proporcionar una ayuda híbrida a la turbina de gas, reduciendo así el consumo de combustible.
• Avión totalmente eléctrico (AEA): Un plan más ambicioso en el que el avión es totalmente eléctrico. Se empezaría con aviones más pequeños, como helicópteros, vehículos de movilidad aérea urbana (UAM) y aviones de despegue y aterrizaje vertical (VTOL), como los previstos para su uso como taxis aéreos.

En los aviones modernos, el mayor consumo de energía ha hecho necesario aumentar la tensión de entrada generada por la turbina de gas a 230 V_CA. Esta tensión se convierte mediante un rectificador en una tensión de enlace de CC de ±270 V_CC, también conocida como tensión HVDC. A continuación, se utilizan convertidores de CC/CC para generar un LVDC a 28 V, que se utiliza para hacer funcionar equipos como las pantallas de la cabina de vuelo, las bombas de combustible de CC, etc. Al igual que en el caso de los cargadores de vehículos eléctricos, donde se están desarrollando sistemas para 800 V, la tendencia en los aviones es aumentar los voltajes para reducir las pérdidas en el cableado. En los aviones, es probable que el voltaje de CC se desplace hacia el rango de los kV, especialmente en los sistemas de propulsión híbrida y AEA. En términos de potencia, los convertidores de potencia MEA pueden oscilar entre 10 y 100 KW, mientras que los de propulsión híbrida y AEA deben situarse en el rango de varios MW.

Principales requisitos y retos de la electrónica de potencia en los aviones

• Tamaño, peso y pérdida de potencia (SWaP): Las métricas SWaP más bajas son clave, ya que el consumo de combustible, la autonomía y la eficiencia general están directamente relacionados con ellas. Consideremos el ejemplo de una AEA. En este caso, el sistema de baterías es el componente más pesado del sistema de generación de energía eléctrica. El tamaño necesario de la batería/pila depende de la eficiencia del inversor. Incluso una mejora del 1% en la eficiencia del inversor, del 98% al 99%, puede reducir en varios 100 kg el tamaño necesario para una batería típica con una densidad energética de 250 Wh/kg. La densidad de potencia gravimétrica del módulo inversor (kW/kg) es otro parámetro clave. Del mismo modo, el tamaño y el peso de los componentes pasivos, así como el sistema de refrigeración necesario para los dispositivos activos de los convertidores, pueden ser considerables.
• Los componentes electrónicos de alta potencia instalados cerca del motor en zonas no presurizadas se enfrentan a numerosos retos relacionados con el calor y el aislamiento. Los dispositivos activos necesitan una reducción significativa de la temperatura, y sus requisitos de refrigeración pueden suponer una carga para el sistema de refrigeración general del avión. A gran altitud, pueden producirse descargas parciales a campos eléctricos más bajos, por lo que el embalaje de semiconductores y módulos, así como los componentes de aislamiento, deben diseñarse con margen suficiente. Garantizar la tolerancia a la exposición a la radiación cósmica también puede requerir una reducción significativa del voltaje de los dispositivos activos.
• Normas de cualificación y fiabilidad: La DO-160 es una norma para probar el hardware de aviónica en diferentes entornos. Muy pocos productos COTS (comerciales en serie) están certificados para ello, lo que obliga a los fabricantes de equipos originales y aeronaves a cualificar y garantizar su uso.

Ventajas del uso de semiconductores de potencia de banda prohibida ancha (WBG) en la industria aeroespacial y de satélites.

Los materiales WBG, como el SiC y el GaN, ofrecen muchas ventajas sobre los dispositivos tradicionales basados en silicio (Si), como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Comparación de las propiedades de los materiales Si, SiC y GaN. (Fuente de la imagen: Researchgate)

Estas ventajas materiales se traducen en numerosos beneficios en la electrónica de potencia de los aviones:

• La mayor conductividad térmica, sobre todo del SiC, facilita la refrigeración de piezas como las utilizadas para controlar el motor.
• Un mayor voltaje del sistema reduce las pérdidas óhmicas en el cableado. Esto es especialmente cierto en el caso del SiC, en el que existen dispositivos comerciales de hasta 3.3 kV, y en el que la investigación activa tiene como objetivo ampliar esta gama.
• Mayor fiabilidad a altas temperaturas. Por ejemplo, se ha demostrado el funcionamiento a +200 ˚C en Sistema en chip (SiC).
• Menores pérdidas de conducción e interrupción. La banda prohibida más alta permite una región de deriva más pequeña a un voltaje nominal dado, lo que mejora las pérdidas de conducción. Además, las capacitancias parásitas más bajas conducen a pérdidas de conmutación más bajas con velocidades de respuesta de conmutación más rápidas.
• Las menores parásitas también permiten un funcionamiento a frecuencias más altas. Por ejemplo, las frecuencias de conmutación en un MOSFET de SiC de 1-5 kV pueden ser de cientos de kHz, frente a los 10 kHz posibles con topologías equivalentes en Si. Los dispositivos HEMT (Transistor de alta movilidad de electrones) de GaN, aunque disponibles sobre todo en el rango de tensión <700 V, son unipolares y presentan otras ventajas, como la ausencia de pérdidas por recuperación inversa y la capacidad de conmutar a varios MHz en este rango de 100 voltios. La gran ventaja de las frecuencias más altas es la posibilidad de reducir el tamaño de los electroimanes.

La figura 2 compara la eficiencia de los convertidores elevadores de 100 kHz basados en GaN y Si.

Figura 2: Comparación de la eficiencia entre Si y GaN para un convertidor elevador de 100 kHz. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Todas estas ventajas se traducen directamente en mejores métricas SWaP y mayores densidades de potencia. Por ejemplo, las tensiones de enlace de CC más elevadas derivadas del uso de dispositivos de tensión de mayor valor nominal generan una menor corriente eficaz de capacitancia en el condensador de enlace de CC del convertidor, lo que puede reducir sus requisitos de tamaño. Una mayor frecuencia de conmutación permite utilizar imanes planares de alta frecuencia y factor de forma más pequeño. En un convertidor de potencia tradicional, los componentes magnéticos pueden representar hasta el 40-50% del peso total, y con el uso de dispositivos activos WBG que funcionan a frecuencias más altas, este porcentaje está disminuyendo. En cuanto a la densidad de potencia gravimétrica de un inversor, los convertidores de Si refrigerados por aire rondan los 10 kW/kg. Con el uso de WBG, esta métrica ha superado los 25 kW/kg en muchas demostraciones de sistemas, y se ha demostrado que es teóricamente posible alcanzar densidades de hasta 100 kW/kg con topologías, voltajes de enlace de CC y frecuencias de conmutación optimizados.

Retos en el uso de semiconductores de potencia de banda prohibida ancha (WBG) y posibles soluciones

Sin embargo, las anteriores ventajas de los GBM se traducen en numerosos retos a los que hay que hacer frente. A continuación, se presentan algunos de estos retos y las posibles soluciones que se están estudiando actualmente:

• Las mayores densidades de potencia se traducen directamente en una mayor generación de calor. Las altas temperaturas disminuyen la eficiencia de la conversión de potencia y también pueden ser un problema de fiabilidad, sobre todo cuando los ciclos de temperatura implican cambios bruscos de temperatura. El estrés termomecánico puede afectar a la fiabilidad del embalaje de los módulos de potencia al hacer que los difusores térmicos, como los materiales de interfaz térmica (TIM) que conectan los sustratos de los dispositivos activos a los disipadores térmicos, se vuelvan inestables, además de aumentar su resistencia térmica. Algunas de las soluciones que se están estudiando son:
  • Envases mejorados: Los envases que ofrecen refrigeración por doble cara con sustratos de nitruro de aluminio directamente refrigerados (DBA) con sinterización de plata consiguen una mejor eliminación del calor. Otros enfoques incluyen la fusión selectiva por láser (SLM) de disipadores térmicos de aleación de polvo directamente sobre los sustratos DBA.
  • A medida que aumenta el tamaño de la matriz activa debido a las mayores necesidades de potencia, el uso de matrices paralelas para conseguir la misma superficie activa neta puede resultar ventajoso para la dispersión del calor.
• Las transiciones de conmutación más rápidas con WBG, aunque son buenas para reducir las pérdidas de conmutación, crean más riesgo de Interferencia electromagnética (EMI). Entre las soluciones para ello se incluyen:
  • Las células de filtrado distribuidas ofrecen un mejor rendimiento y pueden proporcionar redundancia.
  • El uso de filtros híbridos activo-pasivos que utilizan amplificadores para realzar las frecuencias bajas puede reducir el tamaño neto del filtro y mejorar el rendimiento.
• A medida que aumenta el voltaje nominal, aumenta la resistencia específica del dispositivo de potencia (R_DS(ON) x A, siendo R_DS(ON) la resistencia en estado encendido y A el área activa) debido a la necesidad de una región de deriva más gruesa. Por ejemplo, mientras que la resistencia específica a altas temperaturas de un MOSFET de SiC de 1200 V puede ser de 1 mOhm-mm², puede alcanzar los 10 mOhm-mm² en el caso de un dispositivo de 6 kV. Se necesitan dispositivos más grandes o más dispositivos en paralelo para cumplir un objetivo de R_DS(ON), lo que implica mayores costes de la matriz, más pérdidas de conmutación y más requisitos de refrigeración. Algunas soluciones son:
• El uso de topologías de convertidores de 3 o varios niveles permite utilizar dispositivos de menor potencia que la tensión del enlace de CC. Esto puede ser especialmente importante en los dispositivos de GaN con clasificación inferior a kV, en los que una configuración de entrada en serie y salida en paralelo (SIPO) distribuye la tensión de entrada entre muchos dispositivos, lo que permite su uso.

GaN y comunicaciones por satélite

En cuanto a su resistencia a la radiación, el dispositivo HEMT de GaN es mejor que los MOSFET de Si y SiC:

• La capa de AlGaN situada bajo el electrodo de puerta no acumula carga como lo hace el óxido de puerta de SiO₂ en los MOSFET. Como resultado, el rendimiento de la dosis ionizante total (TID) de los HEMT de GaN en modo electrónico mejora significativamente, con informes de funcionamiento que superan un Mrad (megarad), mientras que en Si/SiC suele ser de cientos de krads (kilorads).
• Los efectos secundarios de los electrones (SEE) también mejoran con el HEMT de GaN. La ausencia de agujeros minimiza el riesgo de perturbaciones electrónicas secundarias (SEU), así como el riesgo de rotura de compuerta que se observa en Si y SiC (SEGR).

Los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA) basados en GaN han sustituido ampliamente a los dispositivos de tubos de vacío en muchas aplicaciones espaciales, como en los satélites de órbita terrestre baja (LEO), especialmente en las frecuencias comprendidas entre las bandas C y Ku/Ka.

Conclusión:

Los semiconductores WBG, como el SiC y el GaN, tienen muchas ventajas cuando se utilizan en comunicaciones aeroespaciales y por satélite. A medida que maduren el desarrollo tecnológico, el uso y las normas de fiabilidad en las aplicaciones terrestres de conversión de energía, aumentará la confianza en su uso también en los sistemas aeroespaciales y de satélites.