Una vez que los subsistemas de diseño aeroespacial sean cada vez más pequeños, más potentes y más complejos, la administración térmica ya no podrá ser una idea de última hora. En especial, cuando las aplicaciones aeroespaciales tienden a generar un calor excesivo, los problemas de administración térmica se deben abordar desde el principio del proceso de diseño.
Es probable que la próxima generación de aeronaves comerciales requiera mucha más energía que los aviones actuales, por lo que para las aplicaciones aeroespaciales de procesamiento exhaustivo, la administración térmica puede ser una preocupación aún mayor que la generación de energía.
Además, las limitaciones de diseño de la administración térmica se entrelazan con las restricciones de tamaño, peso y consumo de energía (SWaP) en los sistemas integrados aeroespaciales y en los circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC) de RF. Por lo tanto, si los ingenieros de diseño pueden reducir el tamaño de los sistemas de enfriamiento en los suministros de energía, el impacto llegará hasta el final, ya que un menor costo de la lista de materiales (BOM) puede conducir a menos requisitos de administración térmica.
Vale la pena mencionar que cuando se trata de la administración térmica, hay múltiples dimensiones, que abarcan desde las placas frías que actúan como un gabinete refrigerado por líquido hasta un sistema de tuberías que mueve el líquido y el vapor hasta donde se encuentra el intercambiador de calor. Luego están los disipadores de calor que se encargan de dispersarlo.
Sin embargo, este artículo se centrará en cómo la correcta selección de componentes y los conocimientos de diseño a nivel de sistema permiten a los desarrolladores crear la solución de administración térmica adecuada para condiciones extremas en la aviación comercial. También mostrará cómo los ingenieros de sistemas pueden mejorar el rendimiento de los amplificadores de potencia de RF (PA) y de los sistemas aeronáuticos altamente integrados, lo que limita la cantidad de disipación de calor.
Administración térmica con SiC y GaN
La administración térmica ahora es mucho más crucial a nivel de componentes ya que las geometrías de los chips, cada vez más pequeñas, generan más calor dentro del mismo espacio. A su vez, un mayor calor ralentiza la velocidad del procesador, sobre todo en los puntos calientes del chip, donde el calor se concentra y las temperaturas se disparan.
Sin embargo, en un momento en el que el problema de la administración térmica está llegando a un cuello de botella, los semiconductores de banda ancha prohibida (WBG), como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), vienen al rescate mejorando, de manera significativa, la eficiencia del sistema y la densidad de potencia en las aplicaciones aeroespaciales. Un material semiconductor capaz de sacar el calor de la matriz con rapidez es una ventaja para la electrónica aeroespacial, que coloca varios dispositivos muy juntos y genera kilovatios de calor.
Para empezar, los dispositivos de SiC y GaN permiten que los diseños de potencia pasen del enfriamiento activo al pasivo, ya que la conductividad térmica de los materiales de WBG es mucho mejor. Esto permite a los diseñadores de sistemas de energía sustituir los sistemas de enfriamiento líquido. Además, el aumento de la frecuencia de conmutación reduce el tamaño del sistema y el número total de imanes y capacitores. También reduce la cantidad de metal en los disipadores de calor y los compartimientos.
En otras palabras, una mejor administración térmica significa que se necesitan menos componentes de soporte, lo que también significa que hay menos piezas que se puedan romper. Por ejemplo, los suministros de energía más ligeros requieren imanes más pequeños y, por tanto, reducen el tamaño de los disipadores de calor. Incluso pueden eliminar los disipadores en algunos casos.
La operabilidad estable de los dispositivos de SiC y GaN a temperaturas más elevadas es en especial crítica para los diseños aeronáuticos con limitaciones de SWaP. Estos dispositivos de energía de banda ancha dan lugar a subsistemas más ligeros que reducen el consumo de combustible y las emisiones de calor para la industria aeroespacial. No es de extrañar, por tanto, que los diseños aeroespaciales se inclinen cada vez más por soluciones de semiconductores de SiC y GaN para reducir el tamaño de los convertidores de potencia para la cantidad de carga que tienen que soportar.
La capacidad del material de WBG de complementar una densidad de potencia alta con una elevada conductividad térmica permite a los dispositivos de SiC y GaN disipar el calor de forma más eficiente que otras tecnologías de chips. Esto permite que estos dispositivos semiconductores funcionen a temperaturas más bajas con una potencia de salida determinada, lo que supone una mayor confiabilidad, tensiones de ruptura más altas y un mayor tiempo promedio entre fallas (MTBF) en comparación con los dispositivos de GaAs y silicio (Figura 1).
Figura 1: comparación de los valores nominales de la tensión de ruptura de los dispositivos de silicio, SiC y GaN. Fuente de la imagen: Research Gate
MOSFETs de SiC para la energía de la aviónica
La industria de la aviación comenzó a reconocer las ventajas potenciales de los semiconductores de SiC para los sistemas de suministro. Por ejemplo, los MOSFET de SiC con baja resistencia en estado conducen a pérdidas de conducción más bajas y un impacto mínimo de las variaciones de temperatura. Esto se traduce en una menor administración térmica, lo que a su vez se traduce en disipadores de calor más pequeños y más económicos, y menos piezas costosas de enfriamiento.
Los MOSFET de SiC prometen reducir de forma significativa el tamaño y el peso de los interruptores de potencia de la aviónica, lo que facilita una reducción sustancial del consumo de combustible y de las emisiones de calor. Su alta conductividad térmica y su alta resistencia a la rotura del campo eléctrico garantizan la administración térmica integrada para mejorar el rendimiento de la electrónica aeroespacial.
Tomemos el ejemplo de MSC040SMA120B, el MOSFET de SiC de 1200 V de Microsemi, una filial de Microchip. Promete una administración térmica más eficaz en aplicaciones de distribución de energía, actuación, aire acondicionado y control de motores en diseños aeroespaciales.
Para los dispositivos de SiC empleados en aplicaciones de distribución de energía y controlador de motores, la gestión del circuito de acondicionamiento del accionamiento de la compuerta se ha convertido en un reto crucial. Los MOSFET de SiC MSC040SMA120B presentan una alta movilidad de canal, vida útil del óxido y estabilidad del umbral de tensión para responder a este desafío.
Microchip también ha incorporado los MOSFET de SiC MSC040SMA120B en su placa de diseño de referencia MSCSICMDD/REF1 para el controlador de lado alto/bajo configurable por conmutador con medios puentes o controlador independiente (Figura 2). MSCSICMDD/REF1, un controlador de doble compuerta de MOSFET de SiC altamente aislado, se puede configurar mediante conmutadores para funcionar como una configuración de medio puente con un lado encendido y con protección de tiempo muerto.
Figura 2: el diseño de referencia facilita un conmutador conductor de doble compuerta de MOSFET de SiC altamente aislado para proporcionar los medios para evaluar los MOSFET de SiC en varias topologías. Fuente de la imagen: Microchip
GaN para la amplificación de potencia
Los dispositivos de GaN, como los semiconductores de SiC, pueden soportar una temperatura de operación mucho mayor y presentar una conductividad térmica y una tensión de ruptura elevadas. Además, el semiconductor de GaN puede crecer sobre un substrato de SiC en lugar de hacerlo solo. La mayor conductividad térmica de los substratos de SiC favorece que los dispositivos de GaN sobre SiC sirvan para las aplicaciones de alta tensión y alta potencia habituales en los diseños aeroespaciales comerciales.
Tomemos, por ejemplo, la tecnología GaN de 65 V, que está provocando una nueva generación de sistemas de radar que abre nuevas oportunidades de diseño en una amplia gama de aplicaciones de aviación comercial. En este caso, los dispositivos de transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) de GaN sobre substratos de SiC ofrecen una suave disipación del calor para una confiabilidad a largo plazo.
El CGHV96100F2 deWolfspeed, un HEMT de GaN fabricado en substratos de SiC, presenta una alta tensión de ruptura, una alta velocidad de derivación de electrones saturados y una alta conductividad térmica (Figura 3). Además, está disponible en un paquete con bridas metálicas o cerámicas para mejorar el rendimiento eléctrico y térmico.
Figura 3: el transistor de GaN soporta una potencia de salida de 100 vatios y una frecuencia de operación que va de 7,9 GHz a 9,6 GHz.
Fuente de la imagen: Wolfspeed
Los dispositivos de GaN (HEMT y MMIC) se están haciendo populares en los diseños aeroespaciales, como los radares de aviación, ya que proporcionan una forma fluida de aumentar la potencia de RF mediante el aumento de la tensión en los PA en comparación con las tecnologías de silicio-germanio (SiGe), arseniuro de galio (GaA) y MOSFET de difusión lateral (LDMOS) basados en el silicio.
Los diseños de aeronaves están implementando cada vez más PA de mayor potencia en las cargas útiles y en las puntas de las alas con estrictos requerimiento de administración térmica. Además de facilitar una mayor tensión y una amplificación de la potencia, los dispositivos de GaN también son cruciales para desarrollar soluciones livianas, fundamentales en los diseños de aviación con limitaciones de espacio.
Conclusión
La necesidad de una mayor densidad exige inevitablemente una mejora significativa del enfriamiento en los sistemas integrados aeroespaciales. La industria aeroespacial, que se preocupa por el espacio, también exige diseños más livianos que faciliten inevitablemente la administración térmica.
Como se muestra en este artículo, los dispositivos de SiC y GaN se adaptan a los complejos retos de la administración térmica en los sistemas integrados de la aviónica. Sin embargo, estos dispositivos WBG aún están en una fase inicial y no se han convertido en un producto básico. Por tanto, los diseñadores de sistemas aeroespaciales tienen que estar atentos a la hora de seleccionar los componentes para asegurarse de que los dispositivos que eligen cumplen sus requisitos específicos de administración térmica.
