碳化硅促进航空电子系统设计演进

BONCHIP

随着碳化硅半导体技术的进步，航空电子系统也呈现了新的发展趋势。碳化硅功率器件的成熟极大地促进了航空机载传感器、执行机构和控制系统以及电源系统设计等层面的演进，具体体现在航空电子控制系统和电源系统从集中到分布式的转变，以及执行机构从液压或气动到电机驱动的转变这一航空电子系统的总体趋势。特别是高温SOI半导体和碳化硅功率器件的结合，其整体的耐高温性能将能很好地满足多电和全电飞机航空电子系统的设计需求。

过去十余年以来，飞机的燃料成本增加了约50%；2020年之后，更因为全球供应链的剧烈变化，航空燃油价格继续飙升，预期2022年全球商业航空因为燃油成本造成的亏损，将会高达数十亿美元。为了增加可维性、减低重量、提高燃油效率，进而增加续航里程、降低排放，并节约商业飞行成本，飞机系统设计需要进行革命性的升级，由此，各项先进研究项目早以展开。其中，极具代表性的欧盟清洁天空联合创新项目（Clean Sky joint Technology Initiative）肇始于2008年,集合了发达国家的多数头部企业，现已历经两期（Clean Sky 2008-2017和Clean Sky2 2014-2024), 其目标不仅是降低商业飞行的运营成本，而且还要显著地降低排放，其预期到2050年实现降低75%的CO2排放、90%的NOx排放。该项目中有些部分已采用了DO-160 （Environment Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment）标准，其中已要求某些机载电子元器件在200℃ 环境中工作寿命要达到或超过50000飞行小时。

越来越多的高温电子元器件的使用主要为了支持实现新型的飞机系统设计。这样，在承载同等或更高载荷的条件下，可降低飞机的自身重量；为能实施更为精细的发动机控制，提高发动机的燃油效率，因而控制系统需要从传统的集中式“全权数字发动机控制”（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）向“分布式”FADEC演进；为了减轻重量和配合飞机整体分布式设计，原有的液压或气动部件也在逐渐转向电机驱动。

航空电子技术所依赖的电子元器件的工作温度范围和工作寿命，直接影响着飞机的系统设计：过去，航空应用只能在成熟的、经过验证的军标温度范围（-55~+125°C）内选择电子元器件，而高温半导体技术近年来得到了长足进步，特别是高温“绝缘层上硅”（Silicon On Insulator，SOI）技术，还有“碳化硅”（Silicon Carbide，SiC）、 “氮化镓”（Gallium Nitride，GaN）等第三代“宽禁带”（Wide BandGap，WBG）半导体技术的发展，使得-55~+175°C甚或-55~+225°C，或者更高温度范围的电子器件日益涌现，给航空机载电子设备的设计打开了一扇新的窗口：这些技术使得因更小体积、更高功率密度而需耐受更高温度的航空电子设备的设计，成为可能。