突破硅晶体管局限：碳化硅电子器件驱动航空升级

来自 实验室仪器网

一架混合动力飞机已经过飞行测试，配备了基于碳化硅的电动机驱动，而非传统的硅系统。这一发展有望使航空更轻、更高效，并更具商业化。

除了电动机和传统燃气发动机外，混合动力塞斯纳337飞机的发动机还采用了实验性的碳化硅逆变器，该机已在南加州进行了飞行测试。该逆变器由阿肯色大学电力集团设计，

试飞证明，混合动力飞机上的传统硅基电机驱动系统可以被更紧凑、更有效的碳化硅驱动系统所取代。这次试飞结果最近发表在《IEEE电力电子汇刊》上。

晶体管是电路的基础，起到放大器或开关的作用。例如，计算机和智能手机中的微芯片包含数十亿个晶体管，这些晶体管可以开关，生成一和零的二进制语言。如今，大多数晶体管由硅组成，硅是通过加热净化的砂形成的。

然而，晶体管不能瞬间开关。在两态跃迁过程中能量会被浪费，尽管这一过程仅发生在极短的一瞬间。这些损失的能量会产生热量。碳化硅晶体管的开关速度是硅晶体管的1000倍。更快的开关速度提高了晶体管效率，使电感、变压器和电容等其他元件体积显著更小更轻。

想象一辆装有重达数百磅的大350发动机的赛车。如果你也有同样的力量，但我给你一个能放在你手里的东西呢？电力集团是碳化硅研究与应用领域的公认领导者。尽管性能有所提升，碳化硅更高的成本限制了其广泛采用。

硅是由土壤制成的，没有什么比土壤更便宜的了，然而，碳化硅的制造成本正在下降。此外，使用碳化硅系统时，整体系统成本更低，因为它们所需的支撑部件更少。

然而，当前碳化硅的生产技术尚未足够先进，无法经济地生产制造计算机微芯片所需的纳米级器件。UA动力集团计划建立多用户碳化硅研究与制造实验室，推动碳化硅微芯片研发，并连接大学研究人员与制造商。

在飞机试验中，UA动力组开发了一种基于碳化硅的逆变器，将电池的直流电转换为驱动电机所需的交流电。基于碳化硅的系统体积较小，在空间有限的小型飞机上尤为实用。

碳化硅系统的轻重也意味着飞机起飞和巡航所需的能量更少。电气工程师在飞机上工作面临独特的挑战。为了承受振动和着陆应力，电气系统必须机械支持。

在高海拔地区，干燥的空气会增加部分放电，这可能削弱绝缘并引发静电问题。此外，其他航空系统也可能受到碳化硅更快切换速度带来的电磁干扰增加的影响。

这个的成功试飞证明了UA动力集团团队能够应对这些挑战。

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