作者：Rolf Horn

　　整個運輸部門正在經(jīng)歷一場徹底的轉(zhuǎn)型，內(nèi)燃機(ICE)車輛逐漸讓位于污染較少的電動和混合動力汽車以及更清潔的大眾運輸解決方案(火車，飛機和輪船)。需要能夠最大限度地提高效率和減少環(huán)境影響的解決方案來控制溫室氣體 (GHG) 排放并緩解全球變暖。

　　寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體具有多種特性，使其對運輸應(yīng)用具有吸引力。它們的使用可以生產(chǎn)更高效、更快、更輕便的車輛，提高續(xù)航里程并減少對環(huán)境的影響。

　　世界銀行集團材料的特性

　　寬帶隙材料因其優(yōu)于常用硅(Si)的優(yōu)勢而迅速改變電力電子領(lǐng)域。硅的帶隙為 1.1 電子伏特 (eV)，而 WBG 材料的帶隙為 2 至 4 eV。此外，大多數(shù)WBG半導(dǎo)體的擊穿電場遠高于硅。這意味著它們可以在明顯更高的溫度和電壓下工作，提供更高的功率水平和更低的損耗。表1列出了碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)與硅相比的主要性能，這是兩種最受歡迎的WBG材料。

　　表 1：Si、SiC 和 GaN 性能比較。

　　主要優(yōu)點 碳化硅功率器件與硅基同行相比，以下幾點：

　　低開關(guān)損耗：SiC MOSFET 是單極器件，具有非常低的導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)損耗。該特性能夠以更低的損耗實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而減少無源元件和磁性元件

　　低傳導(dǎo)損耗：由于沒有雙極結(jié)，SiC 器件還可以降低輕負載或部分負載操作期間的損耗

　　高工作溫度：與硅相比，碳化硅具有優(yōu)越的熱性能。SiC 在很寬的溫度范圍內(nèi)具有低漏電流，允許在 200°C 以上工作。 簡化的冷卻和出色的熱管理是該特性的結(jié)果

　　本征體二極管：由于這一特性，SiC MOSFET 可以在第三象限的二極管模式下工作，在電源應(yīng)用中提供出色的性能

　　結(jié)合上述特性可以獲得具有更高功率密度、效率、工作頻率和更小尺寸的 SiC 器件。

　　主要優(yōu)點 氮化鎵功率器件，與Si和SiC對應(yīng)物相比，如下：

　　GaN器件可以在第三象限工作，無需反向恢復(fù)電荷，即使它們沒有本征體二極管。因此，無需反并聯(lián)二極管

　　低柵極電荷 QG 和導(dǎo)通電阻 RDS(ON)，這意味著更低的驅(qū)動器損耗和更快的切換速率

　　零反向恢復(fù)，從而降低開關(guān)損耗和EMI噪聲

　　高 dv/dt：GaN 可以在非常高的頻率下開關(guān)，與具有類似 R 的 SiC MOSFET 相比，其導(dǎo)通速度快 4 倍，關(guān)斷速度快 2 倍DS(ON)

　　世界銀行集團設(shè)備的應(yīng)用

　　如圖1所示，在某些應(yīng)用中，SiC和GaN提供最佳性能，而其他應(yīng)用的特性與硅的特性重疊。通常，GaN器件是高頻應(yīng)用的最佳選擇，而SiC器件在高電壓下具有高電位。

　　圖 1：Si、SiC 和 GaN 器件的潛在應(yīng)用。(資料來源： 英飛凌)

　　混合動力和電動汽車

　　H/EV 使用多種電力電子系統(tǒng)將電網(wǎng)或發(fā)動機能量轉(zhuǎn)換為適合為電機和輔助設(shè)備供電的形式。大多數(shù)H / EV還使用再生制動，其中車輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電機為電池充電。

　　牽引逆變器是這些車輛中的關(guān)鍵組件，它將來自電池的直流高壓轉(zhuǎn)換為交流電，為三相電機供電(見圖 2)。由于涉及高功率，SiC 器件是該應(yīng)用中的首選，額定值為 650 V 或 1.2 kV，具體取決于逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)。SiC 有助于減少損耗、尺寸和重量，支持采用小尺寸的解決方案。

　　圖 2：H/EV 的主要組件。(資料來源： 羅姆半導(dǎo)體)

　　車載充電器 (OBC) 連接到電網(wǎng)，將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓為電池充電。OBC 輸出功率通常在 3.3 kW 和 22 kW 之間，依賴于高壓(600 V 及以上)功率器件。雖然SiC和GaN都適用于此應(yīng)用，但GaN的特性，如高開關(guān)頻率、低傳導(dǎo)損耗以及更小的重量和尺寸，使其成為實現(xiàn)OBC的理想解決方案。

　　WBG在H/EV中的另一種應(yīng)用是低壓(LV)DC-DC轉(zhuǎn)換器，負責(zé)將電池電壓(HEV為200 V，EV為400 V以上)降至為輔助系統(tǒng)供電所需的12 V / 48 V直流電壓。LV 轉(zhuǎn)換器的典型功率小于 1 kW，可使用 GaN 和 SiC 器件實現(xiàn)更高的頻率。

　　表2總結(jié)了Si、SiC和GaN如何滿足前面提到的H/EV應(yīng)用的要求。

　　表2：WBG在H/EV中的應(yīng)用以及與Si的性能比較。

　　鐵路運輸

　　電動列車通過接觸網(wǎng)線或第三條軌道從電網(wǎng)獲取電力，將其轉(zhuǎn)換為適合電機和輔助系統(tǒng)的形式。如果列車在交流線路上運行，變壓器和整流器必須降壓并將電壓調(diào)節(jié)為直流。然后，直流電壓被分割并通過逆變器輸送，以滿足輔助和牽引系統(tǒng)的需求。

　　牽引逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為電機供電，并重新調(diào)節(jié)再生制動產(chǎn)生的電力。因此，該轉(zhuǎn)換器旨在運行雙向能量流。相反，輔助逆變器為冷卻系統(tǒng)、乘客舒適度和其他與運動無關(guān)的需求提供動力。

　　牽引逆變器內(nèi)電力電子設(shè)備的尺寸取決于列車的等級：

　　過境列車：1.2 kV 至 2.5 kV

　　通勤列車：1.7 kV 至 3.3 kV

　　城際列車：3.3 kV以上

　　但是，大多數(shù)列車使用3.3 kV或1.7 kV。

　　再生制動將部分電力返回當?shù)仉娋W(wǎng)、鐵路配電系統(tǒng)或儲能，使系統(tǒng)比前面所述的應(yīng)用更復(fù)雜。再生能源必須立即儲存或使用;否則，它將丟失。

　　傳統(tǒng)上用于鐵路牽引應(yīng)用功率模塊的雙極性硅基IGBT和續(xù)流二極管可以用單極性SiC基MOSFET和二極管代替，從而提高開關(guān)頻率和功率密度。

　　必須降低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，并且必須提高最大結(jié)溫，以減輕鐵路牽引應(yīng)用中使用的電力電子設(shè)備的重量和體積。對于廣泛使用的雙極硅功率器件，增加傳導(dǎo)損耗和降低開關(guān)損耗會產(chǎn)生相反的效果。單極性器件不像雙極性器件那樣在導(dǎo)通和開關(guān)損耗之間進行權(quán)衡。因此，可以降低開關(guān)損耗，同時將傳導(dǎo)損耗降至最低。

　　WBG電力電子設(shè)備可以大大降低電氣軌道中的功率損耗。因此，從電網(wǎng)中獲取的能量將減少，而通過再生制動返回的能量將增加。WBG設(shè)備還提供額外的優(yōu)勢，除了提高效率外，還大大有助于鐵路運輸，例如：

　　減輕重量對效率有重大影響

　　更高的工作溫度允許更小的冷卻系統(tǒng)

　　增加開關(guān)頻率可實現(xiàn)更小的無源尺寸，從而減輕牽引和輔助逆變器的重量。由于開關(guān)頻率更高，逆變器和電機可以更快地響應(yīng)需求變化，從而提高效率。最后，由于較高的頻率聽不到，并且冷卻風(fēng)扇可能會關(guān)閉，因此當火車存在時，鐵路站的噪音會降低。

　　船舶和航空應(yīng)用

　　長期以來，電力電子創(chuàng)新使船舶行業(yè)受益匪淺。在船上，來自柴油發(fā)動機動力的同步發(fā)電機的中壓交流級電力供應(yīng)給各種負載。推進驅(qū)動器(AC-DC和DC-AC轉(zhuǎn)換器的混合物)和其他負載主要在其中。

　　海洋部門的最新趨勢是試圖用直流配電網(wǎng)絡(luò)取代交流配電網(wǎng)絡(luò)。該解決方案消除了將發(fā)電機與交流配電同步的需要，前提是它們可以以可變速度運行，并實現(xiàn)燃料節(jié)約。另一方面，它需要在交流發(fā)電機和直流配電網(wǎng)絡(luò)之間引入整流電路(AC-DC轉(zhuǎn)換器)。

　　船用推進變速驅(qū)動器是船舶的關(guān)鍵部件，必須以極高的可靠性運行。它們的額定功率通常從幾瓦到幾十兆瓦不等。通常，這些驅(qū)動器是具有交流配電的船舶中最重要的電源轉(zhuǎn)換塊。因此，它們的高效率至關(guān)重要。

　　傳統(tǒng)的硅基功率器件再次被SiC和GaN器件所取代，這些器件在提高效率的同時減小了尺寸和重量。WBG器件將很快取代硅基器件成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，帶來硅技術(shù)無法實現(xiàn)的尖端電力電子系統(tǒng)解決方案。

　　未來的燃料渦輪動力發(fā)電機將成為混合動力和全電動航空電子推進系統(tǒng)的主要推動者。隨后將使用電力電子設(shè)備連接發(fā)電機和電機。需要非常高的直流電壓總線來確保有足夠的電力可用。這些總線的電壓范圍從輕型車輛的幾kV到飛機的MV范圍。此外，高直流電壓總線使得使用永磁同步電機作為發(fā)電機成為可能，從而降低了無功功率和電力電子設(shè)備的額定值。功率轉(zhuǎn)換器需要能夠在高開關(guān)頻率下運行的設(shè)備，因為發(fā)電機轉(zhuǎn)速快，這會導(dǎo)致濾芯更小、更輕。

　　碳化硅是最有前途的半導(dǎo)體器件，可以滿足所有要求，同時確保高轉(zhuǎn)換效率。對于較低功率范圍內(nèi)的飛機，新創(chuàng)建的 3.3 kV 和 6.5 kV SiC MOSFET 器件具有重要意義。它們還可以用于模塊化電源轉(zhuǎn)換器拓撲，以滿足大型飛機更高的電壓/功率要求。

　　結(jié)論

　　與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙半導(dǎo)體在能夠以較低的功率損耗處理高電壓和溫度方面具有多項優(yōu)勢。這些特性使其特別適用于各種應(yīng)用中使用的電力電子設(shè)備，包括運輸。

　　WBG半導(dǎo)體用于運輸行業(yè)，以開發(fā)更高效，更可靠的電動和混合動力汽車。寬帶隙半導(dǎo)體的低功率損耗允許更高的開關(guān)頻率，從而減小電力電子設(shè)備的尺寸和重量。反過來，這可以帶來更大的車輛續(xù)航里程、更快的充電時間和更高的整體性能。

　　寬帶隙半導(dǎo)體還可以開發(fā)更緊湊、更高效的動力總成，包括用于電動汽車和混合動力汽車的電機驅(qū)動器和逆變器。通過減小這些部件的尺寸和重量，車輛設(shè)計師可以為其他部件騰出空間或改善車輛的整體空氣動力學(xué)性能。

　　除了電動和混合動力電動汽車外，寬帶隙半導(dǎo)體還用于其他運輸形式，如飛機和火車。在這些應(yīng)用中，寬帶隙半導(dǎo)體的高溫和高電壓能力可以提高電力電子設(shè)備的效率和可靠性，從而降低運營成本并提高安全性。