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宽带隙半导体正在重塑交通运输世界

来源: digikey
2023-04-04
类别:工业控制
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文章创建人 拍明芯城

  作者:Rolf Horn

  整个运输部门正在经历一场彻底的转型,内燃机(ICE)车辆逐渐让位于污染较少的电动和混合动力汽车以及更清洁的大众运输解决方案(火车,飞机和轮船)。需要能够最大限度地提高效率和减少环境影响的解决方案来控制温室气体 (GHG) 排放并缓解全球变暖。

  宽带隙(WBG)半导体具有多种特性,使其对运输应用具有吸引力。它们的使用可以生产更高效、更快、更轻便的车辆,提高续航里程并减少对环境的影响。

  世界银行集团材料的特性

  宽带隙材料因其优于常用硅(Si)的优势而迅速改变电力电子领域。硅的带隙为 1.1 电子伏特 (eV),而 WBG 材料的带隙为 2 至 4 eV。此外,大多数WBG半导体的击穿电场远高于硅。这意味着它们可以在明显更高的温度和电压下工作,提供更高的功率水平和更低的损耗。表1列出了碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)与硅相比的主要性能,这是两种最受欢迎的WBG材料。

财产是的原文如此
带隙能量 (eV)1.13.23.4
击穿电场(MV/cm²)0.33.53.3
电子迁移率(平方厘米/V∙s)1500900900-2000
电子饱和速度(厘米/秒)1 ∙ 1072.2 ∙ 1072.5 ∙ 107
导热系数(宽/厘米∙K)1.55.01.3
介电常数11.8108.9

  表 1:Si、SiC 和 GaN 性能比较。

  主要优点 碳化硅功率器件与硅基同行相比,以下几点:

  低开关损耗:SiC MOSFET 是单极器件,具有非常低的导通和关断开关损耗。该特性能够以更低的损耗实现更高的开关频率,从而减少无源元件和磁性元件

  低传导损耗:由于没有双极结,SiC 器件还可以降低轻负载或部分负载操作期间的损耗

  高工作温度:与硅相比,碳化硅具有优越的热性能。SiC 在很宽的温度范围内具有低漏电流,允许在 200°C 以上工作。 简化的冷却和出色的热管理是该特性的结果

  本征体二极管:由于这一特性,SiC MOSFET 可以在第三象限的二极管模式下工作,在电源应用中提供出色的性能

  结合上述特性可以获得具有更高功率密度、效率、工作频率和更小尺寸的 SiC 器件。

  主要优点 氮化镓功率器件,与Si和SiC对应物相比,如下:

  GaN器件可以在第三象限工作,无需反向恢复电荷,即使它们没有本征体二极管。因此,无需反并联二极管

  低栅极电荷 QG 和导通电阻 RDS(ON),这意味着更低的驱动器损耗和更快的切换速率

  零反向恢复,从而降低开关损耗和EMI噪声

  高 dv/dt:GaN 可以在非常高的频率下开关,与具有类似 R 的 SiC MOSFET 相比,其导通速度快 4 倍,关断速度快 2 倍DS(ON)

  世界银行集团设备的应用

  如图1所示,在某些应用中,SiC和GaN提供最佳性能,而其他应用的特性与硅的特性重叠。通常,GaN器件是高频应用的最佳选择,而SiC器件在高电压下具有高电位。

  

硅、碳化硅和氮化镓器件的潜在应用示意图


  图 1:Si、SiC 和 GaN 器件的潜在应用。(资料来源: 英飞凌)

  混合动力和电动汽车

  H/EV 使用多种电力电子系统将电网或发动机能量转换为适合为电机和辅助设备供电的形式。大多数H / EV还使用再生制动,其中车轮旋转发电机为电池充电。

  牵引逆变器是这些车辆中的关键组件,它将来自电池的直流高压转换为交流电,为三相电机供电(见图 2)。由于涉及高功率,SiC 器件是该应用中的首选,额定值为 650 V 或 1.2 kV,具体取决于逆变器的拓扑结构。SiC 有助于减少损耗、尺寸和重量,支持采用小尺寸的解决方案。

  

H/EV的主要零部件示意图


  图 2:H/EV 的主要组件。(资料来源: 罗姆半导体)

  车载充电器 (OBC) 连接到电网,将交流电压转换为直流电压为电池充电。OBC 输出功率通常在 3.3 kW 和 22 kW 之间,依赖于高压(600 V 及以上)功率器件。虽然SiC和GaN都适用于此应用,但GaN的特性,如高开关频率、低传导损耗以及更小的重量和尺寸,使其成为实现OBC的理想解决方案。

  WBG在H/EV中的另一种应用是低压(LV)DC-DC转换器,负责将电池电压(HEV为200 V,EV为400 V以上)降至为辅助系统供电所需的12 V / 48 V直流电压。LV 转换器的典型功率小于 1 kW,可使用 GaN 和 SiC 器件实现更高的频率。

  表2总结了Si、SiC和GaN如何满足前面提到的H/EV应用的要求。

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  表2:WBG在H/EV中的应用以及与Si的性能比较。

  铁路运输

  电动列车通过接触网线或第三条轨道从电网获取电力,将其转换为适合电机和辅助系统的形式。如果列车在交流线路上运行,变压器和整流器必须降压并将电压调节为直流。然后,直流电压被分割并通过逆变器输送,以满足辅助和牵引系统的需求。

  牵引逆变器将直流电转换为交流电,为电机供电,并重新调节再生制动产生的电力。因此,该转换器旨在运行双向能量流。相反,辅助逆变器为冷却系统、乘客舒适度和其他与运动无关的需求提供动力。

  牵引逆变器内电力电子设备的尺寸取决于列车的等级:

  过境列车:1.2 kV 至 2.5 kV

  通勤列车:1.7 kV 至 3.3 kV

  城际列车:3.3 kV以上

  但是,大多数列车使用3.3 kV或1.7 kV。

  再生制动将部分电力返回当地电网、铁路配电系统或储能,使系统比前面所述的应用更复杂。再生能源必须立即储存或使用;否则,它将丢失。

  传统上用于铁路牵引应用功率模块的双极性硅基IGBT和续流二极管可以用单极性SiC基MOSFET和二极管代替,从而提高开关频率和功率密度。

  必须降低传导和开关损耗,并且必须提高最大结温,以减轻铁路牵引应用中使用的电力电子设备的重量和体积。对于广泛使用的双极硅功率器件,增加传导损耗和降低开关损耗会产生相反的效果。单极性器件不像双极性器件那样在导通和开关损耗之间进行权衡。因此,可以降低开关损耗,同时将传导损耗降至最低。

  WBG电力电子设备可以大大降低电气轨道中的功率损耗。因此,从电网中获取的能量将减少,而通过再生制动返回的能量将增加。WBG设备还提供额外的优势,除了提高效率外,还大大有助于铁路运输,例如:

  减轻重量对效率有重大影响

  更高的工作温度允许更小的冷却系统

  增加开关频率可实现更小的无源尺寸,从而减轻牵引和辅助逆变器的重量。由于开关频率更高,逆变器和电机可以更快地响应需求变化,从而提高效率。最后,由于较高的频率听不到,并且冷却风扇可能会关闭,因此当火车存在时,铁路站的噪音会降低。

  船舶和航空应用

  长期以来,电力电子创新使船舶行业受益匪浅。在船上,来自柴油发动机动力的同步发电机的中压交流级电力供应给各种负载。推进驱动器(AC-DC和DC-AC转换器的混合物)和其他负载主要在其中。

  海洋部门的最新趋势是试图用直流配电网络取代交流配电网络。该解决方案消除了将发电机与交流配电同步的需要,前提是它们可以以可变速度运行,并实现燃料节约。另一方面,它需要在交流发电机和直流配电网络之间引入整流电路(AC-DC转换器)。

  船用推进变速驱动器是船舶的关键部件,必须以极高的可靠性运行。它们的额定功率通常从几瓦到几十兆瓦不等。通常,这些驱动器是具有交流配电的船舶中最重要的电源转换块。因此,它们的高效率至关重要。

  传统的硅基功率器件再次被SiC和GaN器件所取代,这些器件在提高效率的同时减小了尺寸和重量。WBG器件将很快取代硅基器件成为行业领导者,带来硅技术无法实现的尖端电力电子系统解决方案。

  未来的燃料涡轮动力发电机将成为混合动力和全电动航空电子推进系统的主要推动者。随后将使用电力电子设备连接发电机和电机。需要非常高的直流电压总线来确保有足够的电力可用。这些总线的电压范围从轻型车辆的几kV到飞机的MV范围。此外,高直流电压总线使得使用永磁同步电机作为发电机成为可能,从而降低了无功功率和电力电子设备的额定值。功率转换器需要能够在高开关频率下运行的设备,因为发电机转速快,这会导致滤芯更小、更轻。

  碳化硅是最有前途的半导体器件,可以满足所有要求,同时确保高转换效率。对于较低功率范围内的飞机,新创建的 3.3 kV 和 6.5 kV SiC MOSFET 器件具有重要意义。它们还可以用于模块化电源转换器拓扑,以满足大型飞机更高的电压/功率要求。

  结论

  与传统半导体相比,碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽带隙半导体在能够以较低的功率损耗处理高电压和温度方面具有多项优势。这些特性使其特别适用于各种应用中使用的电力电子设备,包括运输。

  WBG半导体用于运输行业,以开发更高效,更可靠的电动和混合动力汽车。宽带隙半导体的低功率损耗允许更高的开关频率,从而减小电力电子设备的尺寸和重量。反过来,这可以带来更大的车辆续航里程、更快的充电时间和更高的整体性能。

  宽带隙半导体还可以开发更紧凑、更高效的动力总成,包括用于电动汽车和混合动力汽车的电机驱动器和逆变器。通过减小这些部件的尺寸和重量,车辆设计师可以为其他部件腾出空间或改善车辆的整体空气动力学性能。

  除了电动和混合动力电动汽车外,宽带隙半导体还用于其他运输形式,如飞机和火车。在这些应用中,宽带隙半导体的高温和高电压能力可以提高电力电子设备的效率和可靠性,从而降低运营成本并提高安全性。


责任编辑:David

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