航空宇宙設計サブシステムがますます小型化、高性能化、複雑化している現在、 熱管理 はもはや後付けでは考えられません。特に、航空宇宙用途では過度の熱が発生する傾向があるため、設計プロセスの最初から熱管理の問題に対処する必要があります。
次世代の民間航空機は、現在の航空機よりもはるかに多くの電力を必要とする可能性が高いため、処理集約型の航空宇宙アプリケーションでは、電力生成よりも熱管理がさらに大きな懸念事項になる可能性があります。
さらに、熱管理設計の制限は、航空宇宙組み込みシステムやRFモノリシックマイクロ波集積回路 (MMIC) におけるサイズ、重量、消費電力 (SWaP) の制約と絡み合っています。したがって、設計エンジニアが電源装置の冷却システムのサイズを縮小できれば、部品表 (BOM) コストの削減によって熱管理要件が軽減されるため、その影響は甚大になります。
熱管理に関しては、液体冷却エンクロージャとして機能するコールドプレートから、液体と蒸気を熱交換器のある場所に移動させる配管システムまで、さまざまな側面があることに言及する価値があります。そして、熱を放散する ヒートシンク があります。
ただし、この記事では、コンポーネントの適切な選択とシステムレベルの設計ノウハウによって、開発者が商用航空の過酷な条件に適した熱管理ソリューションを作成できるようになる方法に焦点を当てます。また、システム エンジニアが熱放散量を制限することで、 RFパワー アンプ (PA) と深く組み込まれた航空機システムのパフォーマンスを向上させる方法についても説明します。
SiCとGaNによる熱管理
チップ形状がますます小さくなり、同じサイズのフットプリント内で発生する熱が増加するため、コンポーネント レベルでの熱管理がこれまで以上に重要になっています。熱が増えると、特に熱が集中して温度が急上昇するチップのホットスポットでプロセッサの速度が低下します。
しかし、熱管理の問題がボトルネックに達しつつある現在、シリコンカーバイド (SiC) や窒化ガリウム (GaN) などのワイドバンドギャップ (WBG) 半導体が、航空宇宙用途におけるシステム効率と電力密度を大幅に向上させることで救済策として登場します。ダイから熱を素早く逃がすことができる半導体材料は、複数のデバイスを近接して配置し、数キロワットの熱を生成する航空宇宙電子機器にとって恩恵となる。
まず、SiCおよびGaNデバイスでは、WBG材料の熱伝導率がはるかに優れているため、電源設計をアクティブ冷却からパッシブ冷却に移行できます。これにより、電力システム設計者は液体冷却システムを置き換えることができます。次に、スイッチング周波数の向上により、システムのサイズが縮小され、磁石とコンデンサの総数が削減されます。また、ヒートシンクや筐体内の金属の量も削減されます。
言い換えれば、熱管理が改善されるということは、必要なサポートコンポーネントが少なくなるということであり、壊れる部品も少なくなるということです。たとえば、電源装置が軽量になると、必要な磁石も小さくなり、ヒートシンクのサイズも小さくなります。場合によってはヒートシンクをなくすこともできます。
高温でのSiCおよびGaNデバイスの安定した動作は、SWaP制約のある航空電子機器の設計にとって特に重要です。これらのブロードバンド電源デバイスにより、航空宇宙産業の燃料消費量と熱放出量を削減する軽量サブシステムが実現します。したがって、航空宇宙設計では、運ぶ必要がある負荷の量に応じて電力コンバータのサイズを縮小するために、SiCおよびGaN半導体ソリューションへの移行が進んでいます。
WBG材料は高電力密度と高熱伝導性を補完する能力があり、SiCおよびGaNデバイスは他のチップ技術よりも効率的に熱を放散できます。これにより、これらの半導体デバイスは、一定の出力電力でより低い温度で動作できるようになり、GaAsやシリコン デバイスと比較して、信頼性、破壊電圧、平均故障間隔 (MTBF) が向上します (図1)。
図1: シリコン、SiC、GaNデバイスの破壊電圧定格の比較。画像出典: Research Gate
航空電子機器用電源向けSiC MOSFET
航空業界では、電源システムにおけるSiC半導体の潜在的な利点を認識し始めています。たとえば、オン抵抗が低いSiC MOSFETでは、伝導損失が低くなり、温度変化の影響が最小限に抑えられます。これにより、熱管理が少なくなり、ヒートシンクがより小型で経済的なものとなり、高価な冷却部品が少なくなります。
SiC MOSFETは、航空電子機器の電源スイッチのサイズと重量を大幅に削減し、燃料消費量と熱放出を大幅に削減します。高い熱伝導性と電界破壊に対する高い耐性により、組み込みの熱管理が保証され、航空宇宙用電子機器の性能が向上します。
Microchip社の子会社である Microsemi の1,200 V SiC MOSFET、 MSC040SMA120B を例に挙げてみましょう。これにより、航空宇宙設計における電力分配、作動、空調、モーター制御アプリケーションでのより効果的な熱管理が可能になります。
電力分配およびモーター駆動アプリケーションで使用されるSiCデバイスの場合、ゲート駆動調整回路の管理が重要な課題となっています。MSC040SMA120B SiC MOSFETは、この課題に対応するために、高いチャネル移動度、酸化物寿命、およびしきい値電圧安定性を特長としています。
Microchip は、ハーフブリッジまたは独立ドライブを備えたスイッチ構成可能なハイサイド/ローサイドドライバ用の MSCSICMDD/REF1 リファレンスデザインボードにMSC040SMA120B SiC MOSFETも組み込んでいます (図2)。高度に絶縁されたSiC MOSFETデュアル ゲート ドライバであるMSCSICMDD/REF1は、スイッチによって、片側オンとデッド タイム保護を備えたハーフ ブリッジ構成として駆動するように構成できます。
図2: リファレンス デザインは、高度に分離されたSiC MOSFETデュアル ゲート ドライバ スイッチを容易にし、さまざまなトポロジでSiC MOSFETを評価する手段を提供します。画像出典: マイクロチップ
電力増幅用GaN
GaNデバイスは、SiC半導体と同様に、はるかに高い動作温度に耐えることができ、高い熱伝導率と破壊電圧を特徴としています。さらに、GaN半導体は、それ自体ではなくSiC基板上に成長させることができます。SiC基板の熱伝導率が高いため、GaN-on-SiCデバイスは、商用航空宇宙設計で一般的な高電圧および高電力のアプリケーションに適しています。
たとえば、65 V GaNテクノロジは、幅広い商用航空アプリケーションで新しい設計の機会を開く新世代のレーダー システムを生み出しています。ここでは、SiC基板上のGaN高電子移動度トランジスタ (HEMT) デバイスがスムーズな放熱を実現し、長期的な信頼性を実現します。
Wolfspeed社の CGHV96100F2は、SiC基板上に製造されたGaN HEMTであり、高い破壊電圧、高い飽和電子ドリフト速度、および高い熱伝導率を特徴としています (図3)。さらに、電気的性能と熱的性能を向上させるために、金属またはセラミックフランジパッケージで提供されます。
図3: GaNトランジスタは、100ワットの出力電力と7.9 GHz ～ 9.6 GHzの動作周波数をサポートします。
画像出典: Wolfspeed
GaNデバイス (HEMTおよびMMIC) は、シリコンゲルマニウム (SiGe)、ガリウムヒ素 (GaAs)、およびシリコンベースの横方向拡散MOSFET (LDMOS) テクノロジと比較して、PAの電圧を上げることでRF電力をスムーズに増加させることができるため、航空電子レーダーなどの航空宇宙設計で人気が高まっています。
航空機の設計では、より高出力のPAがますます導入されている 厳格な熱管理要件を満たすペイロードと翼端に組み込みます。GaNデバイスは、より高い電圧と電力の増幅を可能にするだけでなく、スペースが制限された航空機設計において重要な軽量ソリューションの開発にも不可欠です。
結論
高密度化の必要性により、航空宇宙組み込みシステムでは必然的に大幅な冷却の改善が必要になります。宇宙を重視する航空宇宙産業では、熱管理の課題を必然的に緩和する軽量設計も求められています。
この記事で示されているように、航空電子機器組み込みシステムの複雑な熱管理の課題に関しては、SiCデバイスとGaNデバイスが適しています。ただし、これらのWBGデバイスはまだ初期段階にあり、完全にコモディティ化されていません。したがって、航空宇宙システムの設計者は、選択したデバイスが特定の熱管理要件を満たすように、コンポーネントの選択に注意する必要があります。
