变频电源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换, 输出为的正弦波,输出频率和电压 一定范围内可调。它有别于用于电机调速用的变频调速控制器,也有别于普通交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源,因此,先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源,以便为用电器提供*良的供电,便于客观考核用电器的技术性能。 变频电源主要有二大种类：线性放大型和SPWM开关型。

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SiC器件在航空二次电源中的应用 引言 众所周知,飞机在飞行、使用与停放过程中,其周围的气候条件变化范围大且变化速度快,因此,航空电气设备的工作条件要比地面工业设备复杂,从而对飞机电源系统的要求很高。

但由于Si电力电子器件经过近60年的发展,其性能已接近其理论极限,难以再有大幅度的提升,成为制约航空二次电源进一步提升性能的瓶颈之一。

因此,可大幅度降低电力电子装置体积和重量,提高可靠性,在航空二次电源中具有极其广阔的应用前景。

2 SiC器件优越性及发展简况 SiC作为目前*受关注的宽禁带半导体材料之一,被人们称为继Si和GaAs之后的第三代半导体,在电力电子器件制造方面具有广阔的发展前景。

1) SiC的禁带宽度大 由于半导体材料的禁带宽度决定器件的工作温度,禁带宽度越大,器件的工作温度越高。

350~500℃下工作的高温集成电将在航空设备(涡轮发动机、飞行器的电气自动化)、核能仪器、卫星、空间探测器、地热井等众多方面得到广泛的应用。

2) SiC的击穿场强高 SiC的击穿电场约为2.5MV/cm,这个值大约是Si材料的10倍。

这使得SiC功率半导体器件的*工作电压比同类的Si器件高得多,如Si肖特基二极管*阻断电压在一两百伏,而SiC肖特基二极管的阻断电压*已经达到1700V。

急需重视可调直流稳压电源价格,因此,SiC的高击穿场强特性使其更容易实现航空系统中对功率半导体器件的耐高压的要求,譬如可以用SiC制作击穿电压很高的pin二极管和IGBT 3) SiC器件的比导通电阻小 功率半导体器件的比导通电阻跟材料击穿电场的立方成反比,SiC具有比Si材料高一个数量级的击穿电场,因此SiC器件有更小的比导通电阻。

SiC材料制作的集成电可以减小甚至不用散热系统,可以有效的减轻体积和重量,大大提高系统集成度。

5) *电子饱和速度大 SiC材料的*电子饱和速度是Si材料的2倍,有更高的电流密度和更快的开关速度,适合于高频和大功率应用。

基于SiC的电力电子器件阻断电压高、工作频率高、耐高温工作能力强,同时又具有开关损耗小和比导通电阻低等优势,采用SiC电力电子器件可以大大降低装置的功耗、缩小装置的体积。

目前,欧美、日本等国家在SiC单晶制作方面处于领先地位,多家公司可生产SiC单晶芯片,比如美国的Cree公司、PowerEx公司、Semisouth Laboratories公司、Microsemi公司和IR公司,的英飞凌公司,日本的罗姆公司等。

目前,尽管产量、成本及可靠性等问题仍对SiC功率器件商品化有所,但SiC器件替代Si器件的过程已逐渐开始。

早在2011年全球在SiC生产和研发方面投资超过10亿美元,未来几年,SiC功率器件的市场将以每年50%~70%的速度上升,预计在2019年达到80亿美元.由于SiC单晶材料和外延设备的,国内在SiC功率器件方面的实验研究起步较晚。

目前研究SiC器件的科研院所主要有西安电子科技大学、西安理工大学、浙江大学、交通大学、工业大学、电子科技大学、南京航空航天大学、山东大学、南京大学、中国科学院半导体研究所、中电13所、中电46所、中电55所等。

据报道,我国天科合达蓝光公司进入SiC衬底市场后影响较大,降低了国际市场上SiC衬底的售价,从而推动了SiC功率器件的更快普及。

3 SiC器件在航空二次电源的应用分析 基于SiC功率器件的优势,以下对其在航空二次电源中的应用进行分析,预估其对整机性能带来的影响。

直流电源为主电源的飞机上,用于向交流用电设备供电；在交流电源为主电源的飞机上作为应急备用电源。

前级变换器作为桥式逆变器的直流输入环节,其输入电压为270V,输出电压要达到180V以上并且具有电气隔离功能。

对于双管正激、推挽、半桥、全桥等DC/DC变换器,半桥、全桥电相对于双管正激、推挽电而言,主开关管承受的电压应力减小一半,但一般考虑安全裕量,选用耐压500V左右的功率器件,对于这种电压等级的器件,普通Si管的导通电阻为1欧左右,而SiC管的导通电阻只有几十毫欧,其导通损耗理论上只有Si管的百分之一,因此,采用SiC器件使系统效率得到提高；对于副边整流二极管一般选择反向恢复时间较短的肖特基二极管,而普通Si肖特基二极管不能承受高压要求,因此需采用耐压高的SiC肖特基二极管。

图2是输入直流电压360V,输出交流电压230V/50Hz,额定输出功率为1000VA的逆变器,采用全Si器件、混合型器件（Si功率管和SiC二极管组合）、全SiC器件三种不同器件组合在不同频率下的效率分布图。

图2 不同器件在不同频率下的效率分布图 由图2可以看出,对于全Si器件,随着开关频率的增加,开关损耗增大很多,效率降低较多。

对于较低开关频率23.4kHz下,全Si器件逆变器与全SiC器件逆变器效率相差不大,仅1.8%,但当开关频率提升到100kHz时,效率相差较大,全SiC器件的逆变器效率可比全Si器件的逆变器高8%。

3.2 SiC器件在变压整流器中的应用 在主电源为交流电源的供电系统中,为了向无线电通信、雷达、飞行驾驶设备、控制与装置、继电器、信号装置及电动机等直流电设备供电,直流二次电源是必不可少的。

如B787电源系统中实用的多脉冲变压整流器主要用于将交流母线V低压直流输出,供电给直流燃油泵、点火器、飞行甲板显示器等负载装置；而多脉冲自耦变压整流器将交流母线V高压直流输出,供液压电动泵、氮气发电机系统、环控压缩机以及发动机启动等负载装置使用。

由于整流电的主要元件为二极管,其电压应力即为整流桥输入线电压的*值,对于多脉冲变压整流器而言,一般选用耐压几十伏、电流定额几十到几百安的二极管,因此普通Si二极管可以满足要求；而对于多脉冲自耦变压整流器来说,一般选用耐压600V、电流定额为几十到几百安的快恢复二极管,存在反向恢复问题,且传统的Si二极管不能耐受高温,而采用SiC肖特基二极管几乎没有反向恢复电流,因而可以减小器件的开关损耗,并且SiC肖特基二极管能耐高温,可以减轻散热压力,较为适合航空系统中的高温要求。

恒速恒频电源（CSCF）和变速恒频电源（VSCF）控制器GCU的内部电源采用普通降压式（buck）和升降压式（buck/boost）开关电源,变换器的输入电压为永磁副励磁机整流滤波后的直流电压,输出不同大小且有正负极性的的电压供GCU内不同功能的模板使用。

航空电子设备内部电源的输入电压有两种一种是低压直流电额定电压为VDC另一种是交流电（单相电压为VAC三相为VAC）或高压直流电压为VDC。

输出电压也有两类,低压和高压,后者主要用于通信、雷达、电子对抗设备的发射机和各种阴极射线管显示器,电压达上万伏至数万伏；低压输出有24VDC,±12VDC,±5VDC,+6.3VDC,+3.3VDC等。

图4为采用SiC-MOSFET的非隔离式buck电图,在分别采用Si快恢复二极管和SiC 肖特基二极管作为续流管时,对MOSFET和续流二极管的散热器温度进行了测量,结果如图5所示。

这主要是由于SiC肖特基二极管能够大幅度减小系统的损耗,使得MOSFET和续流二极管的温度降低。

图6为谐振正激电图,在输入电压为270VDC,输出电压为28VDC时,原边主功率管的选取需考虑到*阻断电压与谐振峰值的关系,假定谐振电压峰值为800V,考虑到安全裕量,就需采用*阻断电压为1200V的功率管。

在此定额下,Si-MOSFET导通电阻较大,Si-IGBT存在电流拖尾问题,了开关频率。

此时,若采用普通Si二极管,其反向恢复时间一般为几十纳秒,这将影响整机效率,使发热增加,若将其换为SiC肖特基二极管,可以使系统温度降低,效率提高。

3.4 SiC器件在电机驱动器中的应用 目前,航空系统中的飞控作动器、油泵电机以及环控系统都需要电机驱动器,这些电机的功率需求日趋增加,但由于航空系统上电池电压的,只有提升电流才能输出足够的功率。

而大的电流带来了更大的耗散功率和发热量,这就会增加驱动器的体积、重量,无形中就增加了航空设备整个系统的无效载荷,缩短了行程。

SiC肖特基二极管所具有的耐高温、反向恢复电流几乎为零的特性,可极大地提高电机驱动器的性能,减小耗散功率、体积和重量,提高产品的可靠性。

*精选可调直流稳压电源价格, 另外当SiC MOSFET制作工艺成熟后,如能替代当前使用的开关功率器件,因其高温性能卓著,还可进一步降低电机驱动器的体积和重量。

表2为用于隔离器US06的电机驱动器,对分别采用全Si器件、混合型器件、全SiC器件三种不同器件组合在10 kHz、20kHz两种频率下不同温度时的效率和损耗进行了对比。

传统高压控制系统的特殊性,在断器的控制中直流电源应用必不可少。断器的储能、合分闸、装置工作电源和操作电源必须使用外部直流控制。使用直流电源主要原因之一。首先,使用交流电源的致命原因是交流断电后失去工作电源,负荷出现短时装置失去作用,*出现事故扩大；其次,在负荷出现短时交流电压随之下降,装置不能可靠动作。由此可见高压系统使用直流电源的重要性