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2月20日，國(guó)外媒體“RealIZM 博客”報(bào)道了一個(gè)eVTOL垂直升降飛行器的碳化硅電控設(shè)計(jì)創(chuàng)新案例，在碳化硅技術(shù)方面，該電控有2個(gè)亮點(diǎn)：
▲ SiC采用了分立式SMD單管封裝形式，而不是常規(guī)模塊。
▲ 單個(gè)電控的SiC MOSFET芯片用量合計(jì)60顆，而且整個(gè)eVTOL需要用到8個(gè)電機(jī)電控，合計(jì)芯片用量480顆，大概7臺(tái)eVTOL可以消耗10片碳化硅襯底，2035年SiC MOSFET用量超2000萬(wàn)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(shù)創(chuàng)新，采用60顆SiC MOSFET
歐洲航空業(yè)提出，要到2050年實(shí)現(xiàn)氣候中性和可持續(xù)性，這意味著從2035年開(kāi)始需要推出氣候中性飛機(jī)。而這需要為飛機(jī)提供可以替代化石燃料的高能效電動(dòng)推進(jìn)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(jī)逆變器的效率通常要高達(dá)99%。
為此，德國(guó)航空航天中心航空研究項(xiàng)目管理局通過(guò) BMWK資助了TELEV項(xiàng)目，該項(xiàng)目是希望通過(guò)電力電子、配電和控制的技術(shù)創(chuàng)新，為載人飛機(jī)混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新提供支持。該項(xiàng)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(guó)際。
我們先來(lái)看一下這個(gè)eVTOL電控結(jié)構(gòu)，其最大的特點(diǎn)是采用了空氣對(duì)流冷卻方式，這樣可以盡可能利用eVTOL旋翼飛機(jī)的氣流，冷空意味著可以省去由泵、軟管和儲(chǔ)液器等構(gòu)成的復(fù)雜流體冷卻裝置，從而減少體積和重量。
為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，F(xiàn)raunhofer IZM團(tuán)隊(duì)提出了兩項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新：
▲ SiC MOSFET采用絕緣單芯片封裝：通過(guò)高開(kāi)關(guān)效率提高驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器的整體效率，同時(shí)最大限度地減少了系統(tǒng)所需的空間。
▲ 基于兩個(gè)膨脹機(jī)制（expander mechanisms）的空氣對(duì)流冷卻概念：使得電機(jī)逆變器無(wú)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(xué)過(guò)程或機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)降溫。）
據(jù)Fraunhofer IZM介紹，第一種膨脹機(jī)制通過(guò)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(gè)外殼圓周的圓形分布。
第二種膨脹機(jī)制使用更堅(jiān)固的鋁結(jié)構(gòu)，這樣可以將SiC MOSFET的垂直熱流重新定向?yàn)樗綗崃?，繼而流向整個(gè)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(guò)的空氣。
SMD絕緣封裝重復(fù)發(fā)揮SiC優(yōu)勢(shì)
接下來(lái)，我們看看SiC MOSFET的芯片封裝形式。
在傳統(tǒng)功率模塊封裝無(wú)法充分利用SiC或 GaN的性能優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榧纳?yīng)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)振鈴、EMI和寄生導(dǎo)通等問(wèn)題。
Fraunhofer IZM團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種新的SiC MOSFET器件封裝技術(shù)——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(gè)關(guān)鍵特性。
Fraunhofer IZM認(rèn)為，要降低成本，首先要采用新型PCB技術(shù)：
▲ 一是以極高的數(shù)量和低成本，來(lái)生產(chǎn)大型面板形式封裝。
▲ 二是平面設(shè)計(jì)可將電氣層直接置于頂部，從而形成低電感結(jié)構(gòu)。
▲ 三是SiC芯片燒結(jié)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(gè)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(jì)高效地將安裝到SiC MOSFET整個(gè)PCB上，整個(gè)封裝過(guò)程所需的潔凈室設(shè)施也要少得多。
單個(gè)eVTOL用量達(dá)480顆，2035年SiC MOS用量超2000萬(wàn)顆
最后，我們來(lái)看看碳化硅在eVTOL領(lǐng)域的市場(chǎng)前景。
當(dāng)前主流eVTOL電機(jī)控制器功率等級(jí)集中在60-100kW范圍，部分推力電機(jī)功率可達(dá) 80-100kW，峰值功率突破110kW。在具體應(yīng)用場(chǎng)景中，多旋翼構(gòu)型通常采用多個(gè)電機(jī)冗余設(shè)計(jì)，通常需配置至少 8個(gè)電機(jī)，電機(jī)電控在eVTOL的成本占比在10%-20%。
假設(shè)每架eVTOL需8個(gè)電機(jī)，單個(gè)130kW電控使用60顆SiC MOSFET，則單機(jī)的SiC芯片總需求量為8×60=480顆。
據(jù)保時(shí)捷管理咨詢預(yù)測(cè)，2030年載人eVTOL的年新增需求將達(dá)到1.2萬(wàn)臺(tái)，2035年接近4.2萬(wàn)臺(tái)。以此簡(jiǎn)單計(jì)算，eVTOL的SiC MOSFET需求量分別為：
▲ 2030年：480×1.2萬(wàn)=576萬(wàn)顆
▲ 2035年：480×4.2萬(wàn)=2016萬(wàn)顆
根據(jù)這些SiC MOSFET芯片的需求量，2030年和2035年eVTOL領(lǐng)域?qū)μ蓟枰r底的需求量分別約為1.65萬(wàn)片和5.76萬(wàn)片左右（折合6英寸）。
目前，許多商用飛行器已經(jīng)導(dǎo)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(gè)800V SiC增程動(dòng)力平臺(tái)應(yīng)用于其飛行汽車(chē)，陸行體與飛行體均采用SiC技術(shù)，支撐高頻次城市空中交通。
▲ Lilium eVTOL：推進(jìn)系統(tǒng)成本占比超40%，SiC器件通過(guò)優(yōu)化功率密度和散熱設(shè)計(jì)，顯著降低系統(tǒng)總成本。
▲ NASA X-57 Maxwell實(shí)驗(yàn)飛機(jī)：其巡航電機(jī)控制器采用SiC晶體管，在高功率起飛和巡航階段效率達(dá)98%。
▲ 空客CityAirbus NextGen eVTOL：搭載SiC逆變器，已完成多次穩(wěn)定飛行測(cè)試，目標(biāo)通過(guò)FAA和EASA認(rèn)證后投入商用。
▲ 勞斯萊斯電動(dòng)飛機(jī)：采用邁凱倫800V SiC逆變器，可在60秒內(nèi)爬升至3000米高度，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)跨大西洋6小時(shí)飛行。
▲ Ampaire EEL混合動(dòng)力飛機(jī)：搭載億馬先鋒SiC控制器，完成1826公里長(zhǎng)距離直飛，預(yù)計(jì)2024年啟動(dòng)客運(yùn)服務(wù)。
▲ Archer Aviation eVTOL：霍尼韋爾為其提供含SiC器件的熱管理系統(tǒng)，目標(biāo)2024年通過(guò)認(rèn)證，美聯(lián)航已預(yù)訂200架。
▲ 阿肯色大學(xué)塞斯納337改造項(xiàng)目：采用Wolfspeed SiC功率模塊替代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，優(yōu)化電氣-熱學(xué)-機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，成功完成試飛。
▲ H3X HPDM-3000電機(jī)：功率密度達(dá)10 kW/kg（為傳統(tǒng)電機(jī)的2倍），獲NASA和美國(guó)空軍訂單，意向合同超7億美元。
綜上，SiC在低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域已從實(shí)驗(yàn)階段邁向商業(yè)化，未來(lái)將加速替代傳統(tǒng)硅基器件，推動(dòng)電動(dòng)飛行器規(guī)?；瘧?yīng)用。
