Se i sottosistemi di progettazione aerospaziale diventano sempre più piccoli, potenti e complessi, la loro gestione termica non può più essere pensata in un secondo tempo. I problemi di gestione termica devono essere affrontati all'inizio del processo di progettazione, soprattutto quando le applicazioni aerospaziali tendono a generare un calore eccessivo.
È probabile che gli aerei commerciali di prossima generazione richiederanno molta più alimentazione degli aeroplani odierni, quindi, per le applicazioni aerospaziali ad alta intensità di elaborazione, la gestione termica potrebbe essere un problema ancora più serio della generazione di corrente.
Inoltre, i limiti di progettazione della gestione termica sono strettamente correlati ai vincoli relativi a dimensioni, peso e consumo energetico (SWaP) nei sistemi integrati aerospaziali e nei circuiti integrati a microonde monolitici (MMIC) in radiofrequenza (RF). Quindi, se i progettisti riescono a ridurre le dimensioni dei sistemi di raffreddamento negli alimentatori, le conseguenze riguarderanno l'intero progetto, poiché un costo inferiore della distinta base può determinare requisiti inferiori per la gestione termica.
Vale la pena ricordare che, quando ci si occupa di gestione termica, si devono prendere in considerazione varie dimensioni, che vanno dalle piastre di raffreddamento, che fungono da alloggiamento raffreddato a liquido, a un sistema idraulico che sposta liquido e vapore dove è ubicato lo scambiatore di calore. Poi ci sono i dissipatori di calore che disperdono il calore.
Tuttavia, questo articolo si concentrerà su come la giusta selezione di componenti e il know-how della progettazione a livello di sistema consentono agli sviluppatori di creare la giusta soluzione di gestione termica per le condizioni estreme dell'aviazione commerciale. Spiegherà anche come gli ingegneri di sistema possono migliorare le prestazioni degli amplificatori di potenza (PA, power amplifier) RF e dei sistemi degli aeromobili più profondamente integrati limitando la quantità di calore da dissipare.
Gestione termica con SiC e GaN
La gestione termica è ora molto più cruciale a livello di componenti, poiché le geometrie sempre più piccole dei chip generano più calore, mentre le dimensioni dell'ingombro restano invariate. La maggiore quantità di calore, a sua volta, rallenta la velocità dei processori, in particolare nei punti più caldi del chip, dove il calore si concentra e le temperature aumentano.
Tuttavia, in un momento in cui la questione della gestione del calore sta raggiungendo un punto critico, i semiconduttori a banda larga (WBG), come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), vengono in nostro aiuto, migliorando significativamente l'efficienza dei sistemi e la densità di corrente nelle applicazioni aerospaziali. Un materiale semiconduttore in grado di dissipare rapidamente il calore del die è una benedizione per l'elettronica aerospaziale che colloca svariati dispositivi a distanza ravvicinata e genera kilowatt di calore.
Per cominciare, i dispositivi SiC e GaN consentono ai progetti di alimentazione di passare dal raffreddamento attivo a quello passivo, poiché la conduttività termica dei materiali WBG è decisamente migliore. Ciò consente ai progettisti di sistemi di alimentazione di sostituire i sistemi di raffreddamento a liquido. Inoltre, un aumento della frequenza di commutazione riduce le dimensioni dei sistemi e il numero complessivo di magneti e condensatori, nonché la quantità di metallo nei dissipatori di calore e negli alloggiamenti.
In altre parole, una migliore gestione termica permette di avere un numero minore di componenti di supporto, il che significa anche che ci sono meno parti che si possono rompere. Gli alimentatori più leggeri, ad esempio, richiedono magneti più piccoli e riducono, quindi, le dimensioni dei dissipatori di calore. In alcuni casi è persino possibile eliminare i dissipatori di calore.
L'operatività stabile dei dispositivi SiC e GaN a temperature più elevate è particolarmente critica per i progetti avionici con vincoli SWaP. Questi dispositivi di alimentazione a banda larga consentono l'utilizzo di sottosistemi più leggeri che riducono il consumo di carburante e le emissioni di calore per il settore aerospaziale. Non sorprende, quindi, che i progetti aerospaziali si stiano orientando sempre più spesso verso soluzioni con semiconduttori SiC e GaN per ridurre le dimensioni dei convertitori di corrente rispetto alla quantità di carico che devono sopportare.
La capacità dei materiali WBG di integrare una densità di corrente elevata con una notevole conduttività termica consente ai dispositivi SiC e GaN di dissipare il calore in modo più efficiente rispetto ad altre tecnologie di chip. Di conseguenza, questi dispositivi semiconduttori sono in grado di funzionare a temperature inferiori a una potenza in uscita specificata, determinando una maggiore affidabilità, tensioni di rottura più elevate e un tempo medio tra i guasti (MTBF) più prolungato rispetto ai dispositivi GaAs e a quelli al silicio (Figura 1).
Figura 1: confronto dei valori della tensione di rottura per dispositivi al silicio, SiC e GaN. Fonte immagine: Research Gate
MOSFET SiC per alimentazione avionica
Il settore dell'aviazione sta iniziando a riconoscere i potenziali vantaggi dei semiconduttori SiC per i sistemi di alimentazione. Ad esempio, i MOSFET SiC con bassa resistenza in stato on comportano minori perdite di conduzione e un impatto minimo delle variazioni di temperatura. Ciò si traduce in una minore gestione termica, che, a sua volta, permette di utilizzare dissipatori di calore più piccoli e più economici e parti di raffreddamento meno costose.
I MOSFET SiC promettono di ridurre significativamente le dimensioni e il peso degli interruttori di potenza avionici, rendendo più semplice una riduzione sostanziale del consumo di carburante e delle emissioni di calore. La loro elevata conduttività termica e l'elevata resistenza alla rottura del campo elettrico assicurano una gestione termica integrata per migliorare le prestazioni dell'elettronica aerospaziale.
Si prenda l'esempio di MSC040SMA120B, il MOSFET SiC da 1.200 V di Microsemi, una sussidiaria Microchip. Promette una gestione termica più efficace nelle applicazioni di distribuzione dell'alimentazione, attuazione, condizionamento dell'aria e controllo del motore nei progetti aerospaziali.
Per i dispositivi SiC impiegati nelle applicazioni di distribuzione della corrente e di azionamento del motore, la gestione del circuito di condizionamento del gate drive è diventata una sfida cruciale e per rispondere a questa sfida, i MOSFET SiC MSC040SMA120B offrono elevata mobilità dei canali, durata dell'ossido e stabilità della tensione di soglia.
Microchip ha anche incorporato i MOSFET SiC MSC040SMA120B nella propria scheda del progetto di riferimento MSCSICMDD/REF1 per driver high/low-side configurabili con interruttore con half-bridge o azionamento indipendente (Figura 2). MSCSICMDD/REF1, un driver dual-gate con MOSFET SiC altamente isolato, può essere configurato tramite interruttori per eseguire l'azionamento come una configurazione half-bridge con un lato ON e protezione da tempi morti.
Figura 2: il progetto di riferimento facilita l'utilizzo di un interruttore con driver dual gate con MOSFET SiC altamente isolato per fornire un mezzo per la valutazione dei MOSFET SiC in diverse topologie. Fonte dell'immagine: Microchip
GaN per l'amplificazione di potenza
I dispositivi GaN, come i semiconduttori SiC, possono tollerare una temperatura d'esercizio molto più elevata e presentano valori elevati per conduttività termica e tensione di rottura. Inoltre, un semiconduttore GaN può essere coltivato su un substrato SiC invece che da solo. La maggiore conduttività termica dei substrati SiC favorisce i dispositivi GaN-on-SiC (nitruro di gallio su carburo di silicio) per l'impiego nelle applicazioni ad alta tensione e a corrente elevata comuni nei progetti aerospaziali commerciali.
Si prenda, ad esempio, la tecnologia GaN a 65 V, che sta dando vita a una nuova generazione di sistemi radar che offrono nuove opportunità di progettazione in una vasta gamma di applicazioni per l'aviazione commerciale. In questo caso, i dispositivi HEMT (High-Electron-Mobility Transistor) GaN su substrati SiC offrono una dissipazione del calore uniforme per un'affidabilità a lungo termine.
Il transistor CGHV96100F2 di Wolfspeed, un HEMT GaN prodotto su substrati SiC, offre valori elevati per tensione di rottura, velocità di deriva degli elettroni saturi e conduttività termica (Figura 3). Inoltre, è disponibile in un package con flangia in metallo o ceramica per aumentare le prestazioni elettriche e termiche.
Figura 3: il transistor GaN supporta una potenza in uscita pari a 100 watt e una frequenza d'esercizio compresa tra 7,9 GHz e 9,6 GHz.
Fonte dell'immagine: Wolfspeed
I dispositivi GaN – HEMT e MMIC – stanno riportando un notevole successo nei progetti aerospaziali come i radar avionici, poiché offrono un modo semplice per aumentare la potenza RF accrescendo la tensione sui PA rispetto alle tecnologie dei MOSFET a diffusione laterale (LDMOS) basati sul silicio, al silicio-germanio (SiGe) e all'arseniuro di gallio (GaAs).
I progetti di aeromobili stanno implementando sempre più spesso PA di potenza più elevata nei carichi utili e nelle estremità delle ali con requisiti di gestione termica rigorosi. Oltre a semplificare l'ottenimento di una tensione più elevata e l'amplificazione della potenza, i dispositivi GaN sono anche cruciali nello sviluppo di soluzioni leggere, fondamentali nei progetti per l'aviazione che sono gravati da notevoli vincoli di spazio.
Conclusione
La necessità di una maggiore densità sollecita inevitabilmente dei miglioramenti significativi nel raffreddamento dei sistemi integrati del settore aerospaziale. L'industria aerospaziale, sempre attenta ai vincoli di spazio, richiede inoltre progetti più leggeri che inevitabilmente semplificano le sfide di gestione termica.
Come illustrato in questo articolo, i dispositivi SiC e GaN sono in grado di soddisfare tutti i requisiti quando si tratta delle complesse sfide di gestione termica nei sistemi integrati avionici. Tuttavia, questi dispositivi WBG si basano su una tecnologia relativamente recente e non sono ancora alla portata di tutti. Di conseguenza, i progettisti di sistemi aerospaziali devono essere prudenti nella scelta dei componenti, per essere certi che i dispositivi selezionati soddisfino i requisiti specifici di gestione termica.
