混動飛機搭載碳化硅

最近，美國研究人員開發基于SiC的電動機驅動器，并在混合動力飛機上進行了測試。阿肯色大學的工程研究人員在一架混合動力飛機上成功試飛了他們的電動機驅動裝置。

該項目由美國能源部/高級研究計劃署-能源電路計劃（ARPA-E）資助，是國家科學基金會電熱系統功率優化中心的一部分而建立的合作的產物。該中心位于伊利諾伊大學香檳分校，專注于提高所有移動和運輸模式的電氣化。

這種塞斯納337小型飛機主要用作島嶼地區和偏遠地區的空中出租車，它有兩個汽油發動機，可以執行高要求的空中推進和加速任務，以及滑行、巡航和著陸等較輕的任務。這些都使用高碳足跡的燃油發動機。

在過去的幾年里，由美國大學國家可靠電力傳輸中心（NCREPT）主任Alan Mantoth領導的研究人員參與了一個雄心勃勃的項目，設計和開發電池驅動的電機驅動器，該驅動器可以用來代替燃油發動機。

Mantooth and U?of?A?研究人員David Huitink、Yue Zhao和Chris Farnell設計了一個250千瓦的電機驅動器，在南加州電氣化飛機公司Ampaire Inc.開發的混合動力飛機試驗臺上為后部的電動機提供動力。后部電動機與飛機前部的汽油發動機相結合，在滑行、起飛、巡航和著陸過程中推動飛機。

在機械科學與工程教授Nenad Miljkovic的領導下，伊利諾伊大學的研究人員專注于熱管理設計，而美國?屬于?一位研究人員貢獻了電氣、機械和控制方面的專業知識。

經過大約18個月的地面測試和驗證，證明了這項技術，Ampaire成功駕駛了這架由研究團隊的逆變器技術提供動力的飛機。試飛于2月20日在洛杉磯附近的卡馬里洛機場進行。

碳化硅半導體制造商Wolfspeed為電子馬達驅動器的開發貢獻了商業功率模塊和集成專業知識。Ampaire指導學術領導的團隊完成環境測試要求，這些要求源自航空航天硬件標準，是鑒定和驗證電機驅動器在試飛過程中的性能和可靠性所必需的。

Mantoth說：“通過最近的改進，我們成功地優化了機電控制系統的設計——換句話說，電機驅動的各個方面現在都得到了同時優化。這對新興的交通工具電氣化時代有著重大影響，無論是飛機、火車、汽車、重型設備、船舶還是無人機。我們對這項工作感到非常興奮。”

該混合動力飛機于2022年在丹佛舉行的ARPA-E能源創新峰會上展出。經過廣泛的測試和評估，此次試飛于3月22日至24日在華盛頓特區舉行的2023年ARPA-E能源創新峰會之前進行。在研究團隊的幫助下，Ampaire將進行額外的試飛，并繼續收集數據以改進未來的設計。

Ampaire首席技術官兼工程副總裁Ed Lovelace表示：“ARPA-e支持的飛行試驗臺能力為Ampaire提供了一個快速測試工具，用于在相關環境中評估新興技術。成功評估的技術有機會成為Ampaire商業電氣化航空產品路線圖的一部分，提供更大的能力。”

ARPA-E技術副總監Isik Kizilyali表示：“阿肯色大學的電動機驅動是第一項在ARPA-E混合電動飛機試驗臺上成功進行飛行測試的ARPA-E科技，也是ARPA-E和CIRCUITS項目的一大成就。”

據介紹，在實際飛行環境中，在航空平臺上測試變革性的電動航空技術，可以在現實世界條件下驗證該技術，這將大大加快該技術的采用。美國航空航天局的電機驅動是許多ARPA-E資助的電動航空技術中的第一個，如斷路器、逆變器、電機、配電系統、電池、燃料電池，甚至高效內燃機，這些都將在飛行中進行測試，因為該機構正在解決飛機的電氣化問題，以便走向一個更加電氣化的未來。

輸出密度超汽車電動機三倍

無獨有偶，2021年5月，日本電裝與美國霍尼韋爾稱，雙方簽署了一項長期協議，將聯合開發和制造用于飛機的電動推進系統，以滿足城市空中交通（UAM）等需求。

電裝公司表示，UAM電動飛機是較小型的飛機之一，比較容易利用汽車的電氣化技術，電裝公司將使用碳化硅等技術開發逆變器和大功率電動機。此前，電裝發布了一款用于電動飛機的原型電動機，該電動機的輸出密度超過了汽車三倍。

2020年6月，霍尼韋爾發布了一種專為城市空中交通（UAM）和電動飛機設計的微蒸氣循環系統（MicroVCS）冷卻解決方案，其中搭載了碳化硅開關器件，相比其他傳統蒸汽循環系統，系統的重量減輕了35％，效率提高了20％。

另外，豐田汽車已經投資研發eVTOL技術，豐田是電裝的最大股東，其電動飛機大概率采用電裝的碳化硅。

2023年1月，為滿足航空應用對集成和可配置電源解決方案的需求，Microchip Technology也推出一款全新的綜合性混合動力驅動模塊。該系列產品將有12種不同型號，采用碳化硅（SiC）MOSFET或絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

這些混合動力驅動模塊是高度集成的電源半導體器件，減少了元件數量，簡化了整個系統設計。這款可配置的系列器件包括一個三橋拓撲結構，可采用SiC或Si半導體技術。新系列器件可靠性高，設計緊湊而且重量輕，有助于減少多電飛機的尺寸和重量。

航空航天碳化硅應用前景廣闊

由于碳化硅MOSFET產品具有高溫性能和高電壓能力，因此可以在航空航天電子系統中的高溫、高壓和高頻率環境下使用，SIC MOSFET產品在航空航天領域中的應用潛力巨大，在高溫發動機艙內，碳化硅MOS可以用于控制電動風扇和氣壓控制系統。

在航空航天領域，碳化硅MOSFET具有廣闊應用前景，可以提高系統的性能和可靠性，同時也可以滿足航空航天領域對高溫、高壓、高功率等特殊環境的要求。碳化硅MOS也可以用于航空電子設備中的DC-DC轉換器和開關等。雖然碳化硅在航空航天領域的應用仍處于初級階段，但隨著技術的不斷發展和成本降低，未來有望在這一領域得到更廣泛的應用。