混动飞机搭载碳化硅

最近，美国研究人员开发基于SiC的电动机驱动器，并在混合动力飞机上进行了测试。阿肯色大学的工程研究人员在一架混合动力飞机上成功试飞了他们的电动机驱动装置。

该项目由美国能源部/高级研究计划署-能源电路计划（ARPA-E）资助，是国家科学基金会电热系统功率优化中心的一部分而建立的合作的产物。该中心位于伊利诺伊大学香槟分校，专注于提高所有移动和运输模式的电气化。

这种塞斯纳337小型飞机主要用作岛屿地区和偏远地区的空中出租车，它有两个汽油发动机，可以执行高要求的空中推进和加速任务，以及滑行、巡航和着陆等较轻的任务。这些都使用高碳足迹的燃油发动机。

在过去的几年里，由美国大学国家可靠电力传输中心（NCREPT）主任Alan Mantoth领导的研究人员参与了一个雄心勃勃的项目，设计和开发电池驱动的电机驱动器，该驱动器可以用来代替燃油发动机。

Mantooth and U of A 研究人员David Huitink、Yue Zhao和Chris Farnell设计了一个250千瓦的电机驱动器，在南加州电气化飞机公司Ampaire Inc.开发的混合动力飞机试验台上为后部的电动机提供动力。后部电动机与飞机前部的汽油发动机相结合，在滑行、起飞、巡航和着陆过程中推动飞机。

在机械科学与工程教授Nenad Miljkovic的领导下，伊利诺伊大学的研究人员专注于热管理设计，而美国 属于 一位研究人员贡献了电气、机械和控制方面的专业知识。

经过大约18个月的地面测试和验证，证明了这项技术，Ampaire成功驾驶了这架由研究团队的逆变器技术提供动力的飞机。试飞于2月20日在洛杉矶附近的卡马里洛机场进行。

碳化硅半导体制造商Wolfspeed为电子马达驱动器的开发贡献了商业功率模块和集成专业知识。Ampaire指导学术领导的团队完成环境测试要求，这些要求源自航空航天硬件标准，是鉴定和验证电机驱动器在试飞过程中的性能和可靠性所必需的。

Mantoth说：“通过最近的改进，我们成功地优化了机电控制系统的设计——换句话说，电机驱动的各个方面现在都得到了同时优化。这对新兴的交通工具电气化时代有着重大影响，无论是飞机、火车、汽车、重型设备、船舶还是无人机。我们对这项工作感到非常兴奋。”

该混合动力飞机于2022年在丹佛举行的ARPA-E能源创新峰会上展出。经过广泛的测试和评估，此次试飞于3月22日至24日在华盛顿特区举行的2023年ARPA-E能源创新峰会之前进行。在研究团队的帮助下，Ampaire将进行额外的试飞，并继续收集数据以改进未来的设计。

Ampaire首席技术官兼工程副总裁Ed Lovelace表示：“ARPA-e支持的飞行试验台能力为Ampaire提供了一个快速测试工具，用于在相关环境中评估新兴技术。成功评估的技术有机会成为Ampaire商业电气化航空产品路线图的一部分，提供更大的能力。”

ARPA-E技术副总监Isik Kizilyali表示：“阿肯色大学的电动机驱动是第一项在ARPA-E混合电动飞机试验台上成功进行飞行测试的ARPA-E科技，也是ARPA-E和CIRCUITS项目的一大成就。”

据介绍，在实际飞行环境中，在航空平台上测试变革性的电动航空技术，可以在现实世界条件下验证该技术，这将大大加快该技术的采用。美国航空航天局的电机驱动是许多ARPA-E资助的电动航空技术中的第一个，如断路器、逆变器、电机、配电系统、电池、燃料电池，甚至高效内燃机，这些都将在飞行中进行测试，因为该机构正在解决飞机的电气化问题，以便走向一个更加电气化的未来。

输出密度超汽车电动机三倍

无独有偶，2021年5月，日本电装与美国霍尼韦尔称，双方签署了一项长期协议，将联合开发和制造用于飞机的电动推进系统，以满足城市空中交通（UAM）等需求。

电装公司表示，UAM电动飞机是较小型的飞机之一，比较容易利用汽车的电气化技术，电装公司将使用碳化硅等技术开发逆变器和大功率电动机。此前，电装发布了一款用于电动飞机的原型电动机，该电动机的输出密度超过了汽车三倍。

2020年6月，霍尼韦尔发布了一种专为城市空中交通（UAM）和电动飞机设计的微蒸气循环系统（MicroVCS）冷却解决方案，其中搭载了碳化硅开关器件，相比其他传统蒸汽循环系统，系统的重量减轻了35％，效率提高了20％。

另外，丰田汽车已经投资研发eVTOL技术，丰田是电装的最大股东，其电动飞机大概率采用电装的碳化硅。

2023年1月，为满足航空应用对集成和可配置电源解决方案的需求，Microchip Technology也推出一款全新的综合性混合动力驱动模块。该系列产品将有12种不同型号，采用碳化硅（SiC）MOSFET或绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

这些混合动力驱动模块是高度集成的电源半导体器件，减少了元件数量，简化了整个系统设计。这款可配置的系列器件包括一个三桥拓扑结构，可采用SiC或Si半导体技术。新系列器件可靠性高，设计紧凑而且重量轻，有助于减少多电飞机的尺寸和重量。

航空航天碳化硅应用前景广阔

由于碳化硅MOSFET产品具有高温性能和高电压能力，因此可以在航空航天电子系统中的高温、高压和高频率环境下使用，SIC MOSFET产品在航空航天领域中的应用潜力巨大，在高温发动机舱内，碳化硅MOS可以用于控制电动风扇和气压控制系统。

在航空航天领域，碳化硅MOSFET具有广阔应用前景，可以提高系统的性能和可靠性，同时也可以满足航空航天领域对高温、高压、高功率等特殊环境的要求。碳化硅MOS也可以用于航空电子设备中的DC-DC转换器和开关等。虽然碳化硅在航空航天领域的应用仍处于初级阶段，但随着技术的不断发展和成本降低，未来有望在这一领域得到更广泛的应用。