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碳化硅上天记
来源: | 作者:张工 | 发布时间: 2025-03-12 | 74 次浏览 | 分享到:

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低空经济,作为一个比较新兴的行业,自2021年2月首次出现在相关规划里,低空经济与其上下游器件供应就一直备受关注。低空旅游、无人机物流、城市空中交通等低空新兴业态已经表现出发展的强劲势头。

2024年3月,工信部等四部门关于印发《通用航空装备创新应用试试方案(2024-2030)》的通知,《方案》提出,到2027年,我国通用航空装备供给能力、产业创新能力显著提升,以无人化、电动化、智能化为技术特征的新型通用航空装备在城市空运、物流配送、应急救援等领域实现商业应用。

2024年12月,国家发展改革委低空经济发展司正式成立,负责制定和实施低空经济发展战略、中长期发展规划,提出政策建议,协调重大问题。这是我国低空经济发展的关键里程碑,对低空经济各领域发展意义深远。以及全国超26个省、自治区、直辖市将低空经济写入政府工作报告,提出具体的发展规划和政策支持。

发展通用航空制造业,加快通用航空装备创新应用,是塑造航空工业发展新动能新优势、推动低空经济发展的重要举措,是加快制造强国、交通强国建设的必然要求背景下,低空经济必然会有成为新能源之后的又一热词。

碳化硅作为第三代半导体的其中一种,备受关注就是因其独特的物理特性。依托在电力转换的效率等方面的突出优势,是制备新一代电力电子器件的关键材料。随着电气化发展趋势,碳化硅具有广泛的应用场景,SiC器件可应用于电动汽车、轨道交通、智能电网、通信雷达和航空航天等领域。业界相关资料显示,在航空航天领域,碳化硅MOS具有广阔应用前景。

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一般来说,eVTOL(电动垂直起降飞行器)会采用多电机方案,通常采用6~12个电机,停用1~2个电机的情况下仍具有飞行能力。 其垂直推理系统主要有垂起电机、电调、REU、电机冷却系统,以及螺旋桨组成,相比电动汽车,电机的数量更多,冗余度也更高,因为多冗余度的动力架构设计可以提升电动飞行器动力架构的安全性。

当然,eVTOL对电机的要求与电动汽车对电机的要求还是有很大不同的,eVTOL对电机效率和转矩密度的要求更高。目前,永磁同步电机是电推进动力系统中比较有前景的解决方案,比如Joby S4、Archer Midnight等eVTOL都采用了永磁同步电机。

由于碳化硅MOS产品具有耐高温性能和耐高电压能力,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,碳化硅 MOS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。因此碳化硅器件已经成为低空飞行器市场研究和应用的热点。

电控方面,由于目前电机大都采用的是400V电压平台,功率在60kW左右,推力电机功率可达80至100kW,峰值功率可达105至110kW,远超电动汽车的电机功率。业内人士表示,因为充电功率的提升和电机重要减轻的要求,未来还将逐渐过渡到800V电压平台,因此,电控核心元件,比如硅基IGBT等功率器件,将转向SiC器件,SiC功率器件因其优异的性能和特性,正逐渐成为研究和应用的热点。SiC功率器件具有许多显著的优势,使其在低空飞行器的动力系统中具有广泛的应用前景。

首先,SiC功率器件的绝缘击穿场强是硅的10倍,因此可以制作出高压范围内的功率器件,如600V到数千V的高压功率器件。这种高耐压能力使得SiC器件能够承受更高的电压,从而减少所需的材料厚度和重量,这对于需要轻量化设计的低空飞行器尤为重要。

二是SiC功率器件还具有低导通电阻和高热导率的特点,这使得它们可以在高温环境下工作,并且能够显著降低能量损耗。这些特性对于提高低空飞行器的整体能效和续航能力至关重要。例如,通过使用SiC功率模块,可以降低开关损耗,提高电源效率和工作频率。

三是SiC功率器件还具备高速工作的能力,这有助于提升电机控制系统的响应速度和可靠性。在eVTOL等低空飞行器中,这种高速工作能力可以显著提高飞行控制系统的精度和稳定性。

尽管SiC器件的成本高于传统的硅器件,但其在高压、高温和高频应用中的优势使其在低空飞行器动力系统中的应用具有明显的性价比优势。特别是在需要高可靠性和高性能的航空级应用中,SiC器件的优势更加明显。

由于低空飞行器对成本没有那么敏感,在可靠性设计、系统设计上的自由度会比较大,可以做一些冗余设计,使得可靠性问题也更容易解决。所以,碳化硅应用于低空飞行器非常有前景的潜在市场,也是必然的。

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SiC MOS

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