芯耀
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2月20日，國外媒體“RealIZM 博客”報道了一個eVTOL垂直升降飛行器的碳化硅電控設計創(chuàng)新案例，在碳化硅技術方面，該電控有2個亮點：
▲ SiC采用了分立式SMD單管封裝形式，而不是常規(guī)模塊。
▲ 單個電控的SiC MOSFET芯片用量合計60顆，而且整個eVTOL需要用到8個電機電控，合計芯片用量480顆，大概7臺eVTOL可以消耗10片碳化硅襯底，2035年SiC MOSFET用量超2000萬顆。
▲ SiC采用了分立式SMD單管封裝形式，而不是常規(guī)模塊。
eVTOL電控技術創(chuàng)新，采用60顆SiC MOSFET
歐洲航空業(yè)提出，要到2050年實現(xiàn)氣候中性和可持續(xù)性，這意味著從2035年開始需要推出氣候中性飛機。而這需要為飛機提供可以替代化石燃料的高能效電動推進系統(tǒng)和所有輔助系統(tǒng)。為了使短途飛行高效且環(huán)保，其中需要電機逆變器的效率通常要高達99%。
為此，德國航空航天中心航空研究項目管理局通過 BMWK資助了TELEV項目，該項目是希望通過電力電子、配電和控制的技術創(chuàng)新，為載人飛機混合電力推進系統(tǒng)的技術創(chuàng)新提供支持。該項目參與單位包括：空客公司、英飛凌、弗勞恩霍夫（Fraunhofer）、利勃海爾國際。
我們先來看一下這個eVTOL電控結構，其最大的特點是采用了空氣對流冷卻方式，這樣可以盡可能利用eVTOL旋翼飛機的氣流，冷空意味著可以省去由泵、軟管和儲液器等構成的復雜流體冷卻裝置，從而減少體積和重量。
為了實現(xiàn)這一點，F(xiàn)raunhofer IZM團隊提出了兩項技術創(chuàng)新：
▲ SiC MOSFET采用絕緣單芯片封裝：通過高開關效率提高驅(qū)動轉換器的整體效率，同時最大限度地減少了系統(tǒng)所需的空間。
▲ 基于兩個膨脹機制（expander mechanisms）的空氣對流冷卻概念：使得電機逆變器無需液體冷卻，從而降低 eVTOL的制造成本和重量。
（編者按：在空氣冷卻系統(tǒng)中，"expander mechanisms" 通常指利用氣體膨脹的熱力學過程或機械裝置實現(xiàn)降溫。）
據(jù)Fraunhofer IZM介紹，第一種膨脹機制通過在圓型PCB上布置60顆較小的SiC MOSFET器件，這樣可以確保熱量損失是圍繞整個外殼圓周的圓形分布。
第二種膨脹機制使用更堅固的鋁結構，這樣可以將SiC MOSFET的垂直熱流重新定向為水平熱流，繼而流向整個外殼。而且它還配備了散熱片，大大增加了表面積，并將產(chǎn)生的熱量傳遞給流過的空氣。
SMD絕緣封裝重復發(fā)揮SiC優(yōu)勢
接下來，我們看看SiC MOSFET的芯片封裝形式。
在傳統(tǒng)功率模塊封裝無法充分利用SiC或 GaN的性能優(yōu)勢，因為寄生效應會導致出現(xiàn)振鈴、EMI和寄生導通等問題。
Fraunhofer IZM團隊成功開發(fā)出一種新的SiC MOSFET器件封裝技術——SMD表面封裝，可以兼顧成本便宜、低電感、散熱器絕緣、散熱路徑好4個關鍵特性。
Fraunhofer IZM認為，要降低成本，首先要采用新型PCB技術：
▲ 一是以極高的數(shù)量和低成本，來生產(chǎn)大型面板形式封裝。
▲ 二是平面設計可將電氣層直接置于頂部，從而形成低電感結構。
▲ 三是SiC芯片燒結在陶瓷基板上，具有非常好的熱性能，有助于快速消散芯片中的高熱損耗。
▲ 四是單個SiC芯片易于更換，也有助于降低成本，而且反向電壓可提高到3.3 kV或更高。
▲ 五是SMD 組件可以使用現(xiàn)有的組裝工藝，輕松且經(jīng)濟高效地將安裝到SiC MOSFET整個PCB上，整個封裝過程所需的潔凈室設施也要少得多。
單個eVTOL用量達480顆，2035年SiC MOS用量超2000萬顆
最后，我們來看看碳化硅在eVTOL領域的市場前景。
當前主流eVTOL電機控制器功率等級集中在60-100kW范圍，部分推力電機功率可達 80-100kW，峰值功率突破110kW。在具體應用場景中，多旋翼構型通常采用多個電機冗余設計，通常需配置至少 8個電機，電機電控在eVTOL的成本占比在10%-20%。
假設每架eVTOL需8個電機，單個130kW電控使用60顆SiC MOSFET，則單機的SiC芯片總需求量為8×60=480顆。
據(jù)保時捷管理咨詢預測，2030年載人eVTOL的年新增需求將達到1.2萬臺，2035年接近4.2萬臺。以此簡單計算，eVTOL的SiC MOSFET需求量分別為：
▲ 2030年：480×1.2萬=576萬顆
▲ 2035年：480×4.2萬=2016萬顆
根據(jù)這些SiC MOSFET芯片的需求量，2030年和2035年eVTOL領域?qū)μ蓟枰r底的需求量分別約為1.65萬片和5.76萬片左右（折合6英寸）。
目前，許多商用飛行器已經(jīng)導入了碳化硅器件，典型商業(yè)化案例包括：
▲ 小鵬匯天eVTOL：全球首個800V SiC增程動力平臺應用于其飛行汽車，陸行體與飛行體均采用SiC技術，支撐高頻次城市空中交通。
▲ Lilium eVTOL：推進系統(tǒng)成本占比超40%，SiC器件通過優(yōu)化功率密度和散熱設計，顯著降低系統(tǒng)總成本。
▲ NASA X-57 Maxwell實驗飛機：其巡航電機控制器采用SiC晶體管，在高功率起飛和巡航階段效率達98%。
▲ 空客CityAirbus NextGen eVTOL：搭載SiC逆變器，已完成多次穩(wěn)定飛行測試，目標通過FAA和EASA認證后投入商用。
▲ 勞斯萊斯電動飛機：采用邁凱倫800V SiC逆變器，可在60秒內(nèi)爬升至3000米高度，計劃實現(xiàn)跨大西洋6小時飛行。
▲ Ampaire EEL混合動力飛機：搭載億馬先鋒SiC控制器，完成1826公里長距離直飛，預計2024年啟動客運服務。
▲ Archer Aviation eVTOL：霍尼韋爾為其提供含SiC器件的熱管理系統(tǒng)，目標2024年通過認證，美聯(lián)航已預訂200架。
▲ 阿肯色大學塞斯納337改造項目：采用Wolfspeed SiC功率模塊替代燃油發(fā)動機，優(yōu)化電氣-熱學-機械系統(tǒng)設計，成功完成試飛。
▲ H3X HPDM-3000電機：功率密度達10 kW/kg（為傳統(tǒng)電機的2倍），獲NASA和美國空軍訂單，意向合同超7億美元。
綜上，SiC在低空經(jīng)濟領域已從實驗階段邁向商業(yè)化，未來將加速替代傳統(tǒng)硅基器件，推動電動飛行器規(guī)?；瘧谩?/p>
