สารกึ่งตัวนําช่องว่างแถบพลังงานกว้างในการใช้งานด้านการบินและอวกาศและดาวเทียม

สารกึ่งตัวนําช่องว่างแถบพลังงานกว้าง (Wide band gap (WBG) semiconductor) มีข้อดีหลายประการในการแปลงพลังงาน เช่น ความหนาแน่นและประสิทธิภาพของพลังงานที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่ลดขนาดและน้ำหนักของระบบด้วยการสวิตช์ความถี่ที่สูง ซึ่งช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพาสซีฟที่มีขนาดเล็กลงได้ ข้อดีเหล่านี้อาจมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นในระบบพลังงานอวกาศและดาวเทียม ซึ่งขนาดและน้ำหนักมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในบทความนี้ เราจะสำรวจข้อดีเชิงเปรียบเทียบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ WBG เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ในการใช้งานเหล่านี้

การแปลงพลังงานในอากาศยาน

ในขณะที่โลกก้าวไปสู่อนาคตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น โดยมุ่งเน้นไปที่วิธีการลดการปล่อยมลพิษจากอากาศยานที่ใช้เชื้อเพลิงแบบดั้งเดิม ซึ่งมีบางแนวทางที่กำลังพิจารณาอยู่ ได้แก่:

• อากาศยานแบบไฮบริด (More Electric Aircraft, MEA): เป้าหมายในการแทนที่อุปกรณ์เสริมของเครื่องยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานกลหรือไฮดรอลิกด้วยชิ้นส่วนที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า (เช่น ปั๊มเชื้อเพลิง)
• เครื่องยนต์ขับเคลื่อนแบบไฮบริด (More Electric Propulsion, MEP): ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อช่วยให้ก๊าซเทอร์ไบน์ผลิตพลังงานแบบไฮบริด จึงช่วยลดการใช้เชื้อเพลิง
• อากาศยานระบบไฟฟ้า (AEA): แผนการอนทะเยอทะยานที่ทำให้เครื่องบินใช้พลังงานไฟฟ้าทั้งหมด ซึ่งจะเริ่มต้นในเครื่องบินขนาดเล็ก เช่น เฮลิคอปเตอร์ ยานพาหนะลอยฟ้าในเมือง (Urban Air Mobility, UAM) และเครื่องบินขึ้นและลงจอดในแนวดิ่ง (Vertical Take-off and Landing, VTOL) เช่น เครื่องบินที่วางแผนไว้เพื่อใช้เป็นแท็กซี่ลอยฟ้า

ในอากาศยานสมัยใหม่ การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นทำให้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่มาจากก๊าซเทอร์ไบน์ต้องเพิ่มขึ้นเป็น 230 V_AC แรงดันไฟฟ้านี้ถูกแปลงโดยวงจรเรียงกระแสให้เป็นแรงดันไฟเชื่อมโยงทาง DC ที่ ±270 V_DC หรือที่เรียกว่าแรงดัน HVDC จากนั้นใช้ตัวแปลง DC/DC เพื่อสร้าง LVDC ที่ 28 V ซึ่งใช้ในอุปกรณ์ เช่น จอที่แสดงข้อมูลทางการบิน ปั๊มเชื้อเพลิง DC เป็นต้น ในเครื่องชาร์จ EV สำหรับรถยนต์ที่ระบบกำลังพัฒนาไปใช้แรงดัน 800 V เช่นเดียวกับในเครื่องบินที่เพิ่มแรงดันไฟฟ้าให้สูงขึ้นเพื่อลดการสูญเสียของสายเคเบิล ในเครื่องบิน แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจะถูกผลักไปที่ช่วง kV โดยเฉพาะในระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดและระบบ AEA ในแง่ของพลังงาน ตัวแปลงไฟฟ้าของ MEA สามารถมีขนาดตั้งแต่ 10 ถึง 100 KW ในขณะที่ตัวแปลงไฟฟ้าแบบไฮบริดและ AEA จะต้องอยู่ในช่วงหลาย MW

ข้อกำหนดและความท้าทายที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในเครื่องบิน

• ขนาด น้ำหนัก และการสูญเสียพลังงาน (Size, Weight and Power-loss, SWaP): ตัวชี้วัด SWaP ที่ต่ำกว่าเป็นกุญแจสำคัญ เนื่องจากอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง ระยะทาง และประสิทธิภาพโดยรวมเกี่ยวข้องโดยตรงกับตัวชี้วัดเหล่านี้ พิจารณาตัวอย่างของ AEA ในกรณีนี้ ระบบแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบที่หนักที่สุดของระบบผลิตพลังงานไฟฟ้า ขนาดแบตเตอรี่ที่ต้องการขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ การปรับปรุงประสิทธิภาพอินเวอร์เตอร์เพียง 1% จาก 98% เป็น 99% ก็สามารถลดขนาดแบตเตอรี่ที่จำเป็นสำหรับแบตเตอรี่ทั่วไปที่มีความหนาแน่นของพลังงาน 250 Wh/kg ได้หลายร้อยกิโล ความหนาแน่นของพลังงานเชิงมวลของโมดูลอินเวอร์เตอร์ (kW/kg) เป็นอีกหนึ่งตัวชี้วัดหลัก เช่นเดียวกับขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์แบบพาสซีฟ ตลอดจนระบบระบายความร้อนที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์คอนเวอร์เตอร์แอคทีฟ
• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงที่ติดตั้งใกล้กับเครื่องยนต์ในบริเวณที่ไม่มีแรงดันต้องเผชิญกับความท้าทายมากมายที่เกี่ยวข้องกับความร้อนและการแยก อุปกรณ์แบบแอคทีฟจำเป็นต้องมีการลดอุณหภูมิลงอย่างมาก และข้อกำหนดในการระบายความร้อนอาจสร้างภาระให้กับระบบระบายความร้อนโดยรวมของเครื่องบิน ที่ระดับความสูง การคายประจุบางส่วนอาจเกิดขึ้นที่สนามไฟฟ้าระดับล่าง ดังนั้นแพ็คเกจสารกึ่งตัวนําและโมดูล ตลอดจนส่วนประกอบแยกส่วน จำเป็นต้องออกแบบให้มีค่าเผื่อที่เพียงพอ การรับประกันความทนทานต่อรังสีคอสมิกอาจจะยังต้องการการลดพิกัดแรงดันไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์แบบแอคทีฟ
• คุณสมบัติและมาตรฐานความน่าเชื่อถือ: DO-160 เป็นกฎสำหรับการทดสอบฮาร์ดแวร์ด้านการบินในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน อุปกรณ์ที่มีจำหน่ายหาซื้อมาใช้งานได้ทันที (Commercial off-the-shelf, COTS) น้อยมากที่ได้รับการรับรองสำหรับมาตรฐานนี้ ซึ่ง OEM ชั้นนำและผู้ผลิตเครื่องบินมีคุณสมบัติและรับรองการใช้งาน

ข้อได้เปรียบในการใช้สารกึ่งตัวนําช่องว่างแถบพลังงานกว้าง (WBG) ในอวกาศและดาวเทียม

วัสดุ WBG เช่น SiC และ GaN มีข้อดีหลายประการที่เหนืออุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอน (Si) แบบดั้งเดิม ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1: การเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุ Si, SiC และ GaN (แหล่งที่มาภาพ: Researchgate)

ข้อได้เปรียบด้านวัสดุเหล่านี้เป็นประโยชน์มากมายในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังของเครื่องบิน:

• ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้น โดยเฉพาะใน SiC ช่วยให้ชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ชิ้นส่วนที่ใช้ควบคุมเครื่องยนต์เย็นลงได้ง่ายขึ้น
• แรงดันไฟฟ้าของระบบที่สูงขึ้นช่วยลดการสูญเสียโอห์มมิกในการเดินสาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ SiC ซึ่งมีอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ที่มีจำหน่ายถึง 3.3 kV โดยมีการวิจัยเชิงรุกที่มีเป้าหมายเพื่อเพิ่มแรงดันนี้ให้มากขึ้น
• ปรับปรุงความน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิสูง ตัวอย่างเช่น มีการสาธิตการทำงาน +200˚C ใน SiC
• ลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าและการสวิตช์ ช่องว่างที่สูงขึ้นช่วยให้พื้นที่ดริฟท์มีขนาดเล็กลงที่อัตราแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด นำไปสู่การสูญเสียการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น นอกจากนี้ ความจุแฝงที่ลดลงยังนำไปสู่การสูญเสียการสวิตช์ที่ลดลงด้วยอัตราการสวิตชิ่งที่เร็วขึ้น
• ค่าแฝงที่ต่ำกว่ายังช่วยให้สามารถใช้งานในความถี่ที่สูงขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น ความถี่การสวิตช์ใน SiC MOSFET ขนาด 1-5 kV สามารถอยู่ที่ 100s kHz เทียบกับ 10s kHz ในโทโพโลยีที่เท่ากันใน Si ในอุปกรณ์ GaN HEMT (ทรานซิสเตอร์การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง) แม้ว่าส่วนใหญ่จะมีจำหน่ายในช่วงแรงดันไฟฟ้า <700 V แต่เป็นอุปกรณ์แบบยูนิโพลาร์และมีข้อได้เปรียบเพิ่มเติมโดยไม่มีการสูญเสียฟืนตัวย้อนกลับ และความสามารถในการสวิตช์ที่หลาย MHz ในช่วง 100 โวลต์นี้ ข้อได้เปรียบที่สำคัญของความถี่ที่สูงขึ้นคือความสามารถในการลดขนาดของแม่เหล็ก

รูปที่ 2 เปรียบเทียบประสิทธิภาพของบูสต์คอนเวอร์เตอร์ 100 kHz ที่ใช้ GaN และ Si

รูปที่ 2: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่าง Si และ GaN สำหรับบูสต์คอนเวอร์เตอร์ 100 kHz (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

ประโยชน์ทั้งหมดข้างต้นนำไปสู่ตัวชี้วัด SWaP ที่ดีขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น แรงดันเชื่อมโยงทาง DC ที่สูงขึ้นจากการใช้อุปกรณ์แรงดันไฟฟ้าที่มีพิกัดสูงกว่าจะสร้างกระแส RMS ความจุที่น้อยลงในตัวเก็บประจุเชื่อมโยงทาง DC คอนเวอร์เตอร์ ซึ่งสามารถลดความต้องการด้านขนาดได้ ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้นทำให้สามารถใช้แม่เหล็กระนาบความถี่สูงที่มีฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็กลงได้ ในตัวแปลงไฟแบบดั้งเดิม อาจมีส่วนประกอบแม่เหล็กได้มากถึง 40-50% ของน้ำหนักทั้งหมด และด้วยการใช้อุปกรณ์ที่ใช้งาน WBG ซึ่งทำงานที่ความถี่สูงกว่า เปอร์เซ็นต์นี้จะลดลง เมื่อพิจารณาในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานเชิงมวลของอินเวอร์เตอร์ ตัวแปลงระบายความร้อนด้วยอากาศที่ใช้ Si มีค่าประมาณ 10 kW/kg เมื่อใช้ WBG ตัวชี้วัดนี้เกิน 25 kW/kg ในการสาธิตระบบจำนวนมาก และความหนาแน่นที่สูงถึง 100 kW/kg แสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ในทางทฤษฎีด้วยโทโพโลยีที่ปรับให้เหมาะสม แรงดันไฟเชื่อม DC และความถี่สวิตชิ่ง

ความท้าทายในการใช้สารกึ่งตัวนําช่องว่างแถบพลังงานกว้าง (WBG) และวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้

อย่างไรก็ตาม ข้อดีข้างต้นของ WBG นั้นเป็นความท้าทายมากมายที่ต้องได้รับการแก้ไข ด้านล่างนี้คือความท้าทายบางประการและแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้ที่กำลังสำรวจอยู่ในขณะนี้:

• ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นแปลโดยตรงคือการสร้างความร้อนที่เพิ่มขึ้น อุณหภูมิที่สูงจะลดประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานและยังเป็นปัญหาด้านความน่าเชื่อถืออีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อวงจรอุณหภูมิเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสูง ความเครียดเชิงกลเชิงความร้อนสามารถส่งผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือของบรรจุภัณฑ์ของโมดูลจ่ายไฟได้โดยการทำให้ตัวกระจายความร้อน เช่น วัสดุเชื่อมต่อระบายความร้อน (TIM) เช่น ซิลิโคนระบายความร้อนที่เชื่อมต่อพื้นผิวอุปกรณ์ที่ใช้งานกับแผงระบายความร้อน ไม่เสถียร และเพิ่มความต้านทานความร้อน โซลูชันบางอย่างที่กำลังสำรวจ ได้แก่ :
  • แพ็คเกจที่ได้รับการปรับปรุง: แพ็คเกจที่มีการระบายความร้อนสองด้านด้วยพื้นผิวอะลูมิเนียมไนไตรด์ (DBA) ที่ระบายความร้อนโดยตรงด้วยการเผาซิลเวอร์ทำให้สามารถขจัดความร้อนได้ดีขึ้น วิธีการอื่นๆ ได้แก่ Selective Laser Melting (SLM) ของแผ่นระบายความร้อนแบบผงโลหะผสมลงบนพื้นผิว DBA โดยตรง
  • เมื่อขนาดดายแบบแอคทีฟเพิ่มขึ้นเนื่องจากความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้น การใช้ดายแบบขนานเพื่อให้ได้พื้นที่แอกทีฟสุทธิเดียวกันจะเป็นประโยชน์สำหรับการกระจายความร้อน
• การเปลี่ยนการสวิตช์ที่เร็วขึ้นด้วย WBG แม้ว่าจะดีสำหรับการลดการสูญเสียสวิตชิ่ง แต่ก็สร้างความเสี่ยงจากการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) มากขึ้น โซลูชั่นสำหรับสิ่งนี้รวมถึง:
  • เซลล์ตัวกรองแบบกระจายให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและสามารถสำรองข้อมูลได้
  • การใช้ตัวกรองแอคทีฟ-พาสซีฟแบบไฮบริดโดยใช้แอมพลิฟายเออร์เพื่อเพิ่มความถี่ต่ำสามารถลดขนาดตัวกรองสุทธิและปรับปรุงประสิทธิภาพได้
• เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ความต้านทานเฉพาะของอุปกรณ์ไฟฟ้า (R_DS(ON) x A, R_DS(ON) เป็นความต้านทานต่อสถานะและ A พื้นที่ใช้งาน) เพิ่มขึ้นเนื่องจากความจำเป็นของพื้นที่ดริฟท์ที่หนาขึ้น ตัวอย่างเช่น ในขณะที่ความต้านทานเฉพาะอุณหภูมิสูงของ 1200 V SiC MOSFET สามารถเป็น 1 mOhm-mm² สามารถเข้าถึง 10 mOhm-mm² สำหรับอุปกรณ์ที่ได้รับการจัดอันดับ 6 kV จำเป็นต้องมีอุปกรณ์ขนาดใหญ่ขึ้นหรืออุปกรณ์หลายเครื่องพร้อมกันเพื่อให้ตรงกับ R_DS(ON) เป้าหมาย ซึ่งหมายถึงต้นทุนแม่พิมพ์ที่สูงขึ้น การสูญเสียการสวิตช์ที่มากขึ้น และความต้องการการระบายความร้อนที่มากขึ้น โซลูชันบางอย่างรวมถึง:
• การใช้โทโพโลยีคอนเวอร์เตอร์ 3 หรือหลายระดับช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์ที่มีพิกัดต่ำกว่าแรงดันไฟเชื่อมโยงทาง DC สิ่งนี้สามารถเกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ GaN ระดับ sub kV ซึ่งการกำหนดค่าแบบอนุกรมเข้าขนานกัน (SIPO) กระจายแรงดันไฟฟ้าขาเข้าไปยังอุปกรณ์จำนวนมาก ดังนั้นจึงอนุญาตให้ใช้งานได้

GaN และการสื่อสารผ่านดาวเทียม

ในแง่ของความสามารถในการจัดการกับรังสี อุปกรณ์ GaN HEMT ดีกว่าทั้งมอสเฟต Si และ SiC:

• ชั้น AlGaN ใต้เกตอิเล็กโทรดไม่เก็บประจุเช่น เกตออกไซด์ SiO₂ ในมอสเฟต ผลที่ตามมาคือ ประสิทธิภาพของปริมาณไอออไนซ์ทั้งหมด (TID) ของโหมด e-GaN HEMT นั้นดีขึ้นอย่างมาก โดยมีรายงานการทำงานที่มากกว่าหนึ่ง Mrad (เมกะแรด) ในขณะที่ Si/SiC โดยทั่วไปจะมีค่าเป็นร้อย Krad (กิโลแรด)
• เอฟเฟกต์อิเล็กตรอนทุติยภูมิ (SEE) ได้รับการปรับปรุงด้วย GaN HEMT การไม่มีรูช่วยลดความเสี่ยงของการพลิกกลับของอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (SEU) ในขณะที่ความเสี่ยงของการแตกของเกทที่เห็นบน Si และ SiC (SEGR) ก็ลดลงเช่นกัน

พาวเวอร์แอมพลิฟายเออร์แบบโซลิดสเตด (SSPA) ที่ใช้ GaN ได้เข้ามาแทนที่อุปกรณ์หลอดสุญญากาศในการใช้งานอวกาศจำนวนมาก เช่น ในดาวเทียม Low Earth Orbit (LEO) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในย่านความถี่ตั้งแต่ C ถึง Ku/Ka แบนด์

สรุป

สารกึ่งตัวนำ WBG เช่น SiC และ GaN มีประโยชน์มากมายเมื่อใช้ในการสื่อสารทางอวกาศและดาวเทียม เนื่องจากการพัฒนาเทคโนโลยี การใช้งาน และมาตรฐานความน่าเชื่อถือได้เติบโตขึ้นในการใช้งานในการแปลงพลังงานภาคพื้นดิน จะสร้างความมั่นใจมากขึ้นในการใช้งานในระบบการบินและอวกาศและดาวเทียมเช่นกัน