Ein neues Zeitalter für Leistungsmodule der Luft- und Raumfahrt
SiC verfügt über eine große Bandlücke, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Durchschlagsfestigkeit, wodurch Energieverluste leichter gesenkt werden können. Diese Eigenschaften machen das Material interessant für die Anwendung bei Geräten mit hohem Energiebedarf. Es ermöglicht eine verbesserte Umschaltung und höhere Energiedichte für eine gegebene Spannung und Nennstromstärke in einem dünneren und leichteren Gerät. Die Betriebsfähigkeit bei hohen Temperaturen senkt die erforderliche Größe und Komplexität der Kühlsysteme und somit der gesamten Energiesystemarchitekturen. Nach Jahren der Forschung und Entwicklung werden die SiC-Geräte nun auf den Markt gebracht. Der Zeitpunkt könnte kaum günstiger sein, um die verbesserte Modularität und Leistung dieser Bauteile für vollelektrische Luftfahrzeuge zu untersuchen – was ein wichtiges Ziel der Avionikforschung darstellt. Mit EU-Finanzierung des Projekts "Robust silicon-carbide technology for aerospace DC-DC conversion" (ROSIC) entwickelten Wissenschaftler innovative SiC-Leistungsmodule für die Anwendung in Luftfahrzeugen. Die Forschung umfasste eine umfassende Analyse der zukünftigen Anforderungen, um sicherzustellen, dass stringente Zuverlässigkeitskriterien möglichst kosteneffizient erfüllt werden können. Die Wissenschaftler begannen mit einem Leistungsvergleich der verfügbaren Transistortechnologien, darunter bipolare Sperrschicht-Transistoren, Sperrschicht-Feldeffekttransistoren und Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) zur Steuerung des Stromflusses. Ein MOSFET-Gerät wurde ausgewählt und seine Charakteristiken im stationären und dynamischen Betrieb beurteilt. Das Team wählte anschließend die MOSFET-Substrate aus und definierte die Bindungsparameter. Die ROSIC-Mitglieder testeten die finalen Module, um eine langfristige Charakterisierung sowohl des Gehäuses als auch der Modulleistung sicherzustellen, und verifizierten dabei deren Integrität unter Flugbetriebsbedingungen. Durch die Forschungsarbeit wurde das Wissen über die Leistung und Robustheit der SiC-MOSFET-Geräte vertieft. Die Wissenschaftler leisteten mit der Konsolidierung der hochzuverlässigen Konstruktionsmethodik einen bedeutenden Beitrag zu potentiellen Avionikanwendungen. Die SiC-MOSFET-Technologie verspricht, Baugröße und Gewicht avionischer Leistungsschalter im Vergleich zu herkömmlicher Si-Technologie deutlich zu reduzieren. Dies wird sich in dringend erforderlichen Senkungen des Treibstoffverbrauchs und der Emissionen niederschlagen, was auch mit den EU-Zielen für einen umweltfreundlicheren Luftverkehr in Einklang steht. Die SiC-Leistungsmodule aus dem ROSIC-Projekt sind bereit für den industriellen Einsatz und versprechen bedeutende Auswirkungen auf die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von Flugreisen.
Schlüsselbegriffe
Luft- und Raumfahrt, Leistungsmodule, Siliciumcarbid, SiC, Luftfahrzeug, Geräte mit hohem Energiebedarf, Kühlsysteme, Energiesystemarchitekturen, vollelektrisches Luftfahrzeug, Luftfahrtelektronik, DC-DC-Wandlung, Metalloxid, Halbleiter-Feldeffekttransist
