新型碳化硅电动机助力混合动力飞机轻量化，提升飞行距离

混合动力塞斯纳337飞机在南加州成功完成了一次使用新型碳化硅电动机系统的测试飞行。

这架飞机配备了燃气发动机和电动机，展示了一个更小、更高效的碳化硅逆变器，能够替代传统混合动力飞机所使用的系统。

阿肯色大学电力组的研究人员研发了这一实验性逆变器，并与Ampaire和Wolfspeed合作进行测试。结果标志着能源高效航空的重大进展。该项目由美国能源部的先进研究项目局-能源（ARPA-E）资助。

“我们是第一所为混合电动飞机做这项研究的大学。这让我们倍感自豪，”项目首席研究员、电子工程和计算机科学的杰出教授艾伦·曼图斯解释道。

碳化硅相较于硅的优势

大多数现代电子产品——从手机到汽车——都依赖于硅晶体管。这些微小的开关为使设备运作的电路供电。然而，硅晶体管在每次开关时都会将能量以热量的形式浪费掉。

碳化硅改变了这一点。它使晶体管的开关速度高达每秒1000次，效率显著提高。这也使得电感器、变压器和电容器等支持组件变得更小更轻，这对航空领域来说是个关键优势。

“想象一下，一辆配备350大马力发动机的赛车，重达几百磅。如果我能给你同样的动力，但它的体积却能放在你手心里呢？”论文的第一作者、助理教授克里斯·法内尔说道。

亚利桑那大学的电力研究小组已经是碳化硅研究的全球领导者。尽管这种材料有很多优势，但由于生产成本高，它仍面临挑战。

“硅是由泥土制成的，没有什么比泥土更便宜了，”曼图斯评论道。

但随着制造业的进步，成本正在下降。更小、更轻的碳化硅系统降低了整体费用，使这项技术对大汽车制造商很有吸引力。

“如果整体系统变得更便宜，那么福特会在意，丰田也会在意。这就是它最终出现在汽车上的原因，”曼图斯补充道。

克服航空电力挑战

这架测试飞机使用了基于碳化硅的逆变器，将电池电力转换成电动机需要的交流电。紧凑的设计非常适合小型飞机，在这些飞机中，重量和空间最为重要。

“你可以去掉一些东西，给乘客留更多的腿部空间，”法内尔指出。

轻量化系统有助于减少起飞和飞行过程中的能量消耗。然而，为飞机设计电气系统面临独特的挑战。它们必须应对振动、着陆冲击以及可能影响绝缘并导致电气放电的变化的气候条件。

碳化硅的开关速度更快，这也增加了电磁干扰，这可能会影响其他机载系统。成功的试飞表明，UA动力组的工程师能够有效地应对这些挑战。

从实验室到跑道

大学研究人员在真实环境下进行测试并不常见，但UA动力组认为这是进步的关键。这个项目给学生们提供了宝贵的实践经验。

“学生们的体验真是无与伦比。他们除了做科学研究，还进行了动手的工程实践，之后都找到了很不错的工作，”Mantooth 分享道。

研究团队包括研究生安娜·科比特、韦斯利·G.·施瓦茨和阿西夫·法鲁克，以及教师赵悦和大卫·惠廷克。行业合作伙伴包括Ampaire和Wolfspeed。

今年秋天，UA电力小组将建立一个新的多用户碳化硅研究与制造实验室，以推进碳化硅微芯片研究，并将大学的创新与半导体制造商对接。

通过这次成功的试飞，碳化硅技术证明了其不仅能改变混合动力飞机，还能改变电动交通的更广泛的未来潜力。

该研究发表在了IEEE电力电子学报上。