乘着新能源车销量暴涨的东风，极具潜力和市场空间的第三代半导体材料碳化硅当下已成为半导体界的“当红炸子鸡”，采用碳化硅功率器件可助力新能源汽车提升加速度、降低系统成本、增加续航里程以及实现轻量化等。但其实碳化硅的优越性能使其在更多尖端领域有着迫切的需求。随着航天技术的快速发展，作为航天器的重要组成部分——供配电系统和二次电源的发展面临两方面的挑战，一方面是小型化和轻量化，另一方面是大功率和超大功率航天器的需求。在超大功率方面，目前硅基功率器件的功率容量和工作频率已不能满足设计要求，限制了宇航电源技术的发展，因此SiC功率器件的替代应用已势在必行。

SiC功率器件的优势

电源技术从线性电源发展到开关电源，开创了电源技术的新时代，实现了电源的高频化、高效率、小型化，在各个行业都发挥着举足轻重的作用。开关电源的核心器件是作为功率开关管的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，目前电源的体积和重量主要受限于磁性器件和电容器的体积，而高频化电源设计是有效减小磁性器件和电容器体积的唯一途径，硅基IGBT器件一般只能工作在20 kHz以下，严重限制了磁性器件和电容器的小体积，因此超大功率电源的体积和重量将变得异常庞大，无法满足航天器总体要求。同时超大功率二次电源产品都朝着高电压趋势发展，而硅基功率器件的电压通常较低，也是限制宇航电源技术发展的主要因素。

SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，近几年来得到越来越多的商业化应用，在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。例如电动汽车使用SiC模块，其体积减小到原来的1/5。以SiC为代表的宽禁带半导体功率器件，具有更小的导通电阻、更快的开关速度和更高的阻断电压等优越特性，为电源技术提供了难得的发展机遇，采用宽禁带半导体器件，可以实现更高的变换效率，更高的功率密度，更高的可靠性。

SiC相比Si的巨大优势

SiC功率器件的关键技术问题

SiC 功率器件虽然具有低导通电阻，高开关频率，耐高温高压等多个性能优势，但由于宇航领域工作环境的特殊性，想要广泛应用还需对以下几点重点研究。

1.封装技术

SiC 功率器件具有高开关频率和高温下稳定工作的特点同样也会带来一些弊端，例如，SiC功率器件对封装的寄生参数极为敏感，过快的开关速度会导致电流和电压的过冲，而开关管在工作时存在的寄生电感会加剧这种过冲，最终导致功率变换器滤波部分的复杂程度加大，以及产生过多的器件损耗、电压应力以及电磁干扰，这些都会降低整机的可靠性。

SiC器件封装的挑战

先进的封装技术对降低寄生参数、提高功率模块的电气坚固性和可靠性十分重要。有研究者采用一种在SiC模块中嵌入离散多层陶瓷电容器作为去耦电容的解决方案，这种集成方法显著地减小了功率器件与去耦电容器之间的距离，从而减少了功率回路寄生参数，同时可以在高开关速度下实现干净的开关波形，降低电磁干扰，提高效率。

功率器件的封装结构

2.单粒子性能

SiC功率器件有较强的抗总剂量辐射能力，适用于卫星、空间站等太空领域，但目前还存在单粒子性能薄弱的问题。对于地球大气层以上的空间应用，空间环境中存在各种高能粒子，宇宙辐射会导致功率半导体器件失效，现有的研究表明碳化硅器件存在严重的单粒子栅穿(single event gate rupture, SEGR)和单粒子烧毁(single event burnout, SEB)问题，这阻碍了SiC功率器件在宇航电源领域中的应用。目前国内已有多个团队正在进行SiC MOSFET的技术攻关研究，旨在未来几年内攻克SiC器件的单粒子性能薄弱问题，满足宇航应用条件。

高能宇宙射线

3.可靠、有效的驱动和保护电路设计

SiC功率器件具有低寄生参数，短路耐受时间段等特点，因此高可靠性且有效的驱动及保护电路是充分发挥SiC功率器件优势的关键，同样也是宇航供配电系统和二次电源设计过程中的一个关键部分，驱动电路和保护电路设计的好坏直接影响着电源的性能。

目前关于SiC功率器件的驱动和保护电路几乎都处于实验研究阶段，尚未有成熟的应用，国内外多个科研团队正在进行相关技术研究。在解决SiC功率器件的驱动和保护电路后，将会实现SiC功率器件在宇航电源领域的广泛应用。

SiC功率器件在宇航电源领域的应用前景

尽管目前SiC功率器件在宇航领域还未能获得广泛应用，但随着材料技术，制作工艺，以及电源模块封装技术的不断进步，高压大容量SiC功率器件必将在电源应用中开辟新的应用领域，在宇航电源的开发和改造中更是会产生重大影响。

1.电推进系统电源处理单元应用

目前，超大功率电推进技术已经成为深空探测等空间活动的必备关键技术，电推进系统的超大功率也就是意味着为电推进器提供电力支持的电源处理单元(Power Processing Unit, PPU)要能够实现高压大电流，SiC功率器件的出现使得超大功率PPU的实现不再成为幻想。

美国针对深空探测的超大功率电推进系统进行了适用于300 V高压母线的PPU功率变换器设计，该功率变换器由两个采用SiC功率器件的7.5 kW全桥变换器并联构成，经测试效率可达98%。未来的超大功率电推进采用耐高压的SiC功率器件进行PPU设计是必然发展趋势，可以大大提高转换效率，减小PPU体积。

电推进系统

2.电机驱动器

随着航天器功率的增加，无刷直流电动机、高功率密度永磁同步电动机被广泛用于太阳能电池阵列部署，天线部署以及动量轮控制。由于空间环境中存在静电放电和宇宙射线，国际空间站使用的航天器母线的最高电压为160 V，要增加功率需要增大电流，而大电流会增加散热，增加热控制的负担则会大大降低航天器的有效负载能力。

当将SiC功率器件应用于航天电机驱动器时，由于与Si二极管相比具有较小的反向恢复电流，因此SiC二极管可以降低开关损耗。除此之外，从功耗的观点出发，可以使用额定电流小的装置来代替额定电流大的装置。例如，将额定电流为 200~400 A的Si IGBT模块替换为电流为120 A的SiC模块。

永磁同步电动机

3.高压功率电子调节器

行波管功率放大器是卫星通信系统中非常重要的高功放器件，主要由大功率行波管和高压电子功率调节器两部分组成，其中供电的高压电子功率调节器是行波管功率放大器的主要部分，最高电压可达到8kV。

要用Si基器件来实现如此高的电压输出需要非常复杂的拓扑结构，而这需要很多数量的开关器件和额外的二极管来钳位电压。但是，当使用SiC功率器件时，可以简化变换器设计，减小谐振单元的体积，同时提高效率。

卫星行波管功率放大器

总结

功率开关器件是推动电源技术跨越式发展的基石，在攻克SiC功率器件后，将转向实现兆赫兹电源的系列问题，如磁性器件高频化设计、磁集成技术、高频大功率电源电磁兼容技术等，由此将带来电源技术的突破，真正实现高性能、微型化的新一代宇航电源，带来宇航电源技术和产品的全面革新，实现更小的体积和重量、更优异的性能、更大的功率和更高的可靠性，从而助力整个航天技术的发展。

参考来源：

1.碳化硅功率器件在宇航电源中的研究与应用，曹宇翔、张潇、王少宁、李进利（电子设计工程）；

2.碳化硅功率器件的关键技术及标准化研究，葛海波、夏昊天、孙冰冰（科技传播）；

3.SiC MOSFET研究及应用，李新秀（北京交通大学）。

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