作者：Rolf Horn

　　整個(gè)運(yùn)輸部門(mén)正在經(jīng)歷一場(chǎng)徹底的轉(zhuǎn)型，內(nèi)燃機(jī)(ICE)車輛逐漸讓位于污染較少的電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車以及更清潔的大眾運(yùn)輸解決方案(火車，飛機(jī)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(lái)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(duì)運(yùn)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(duì)環(huán)境的影響。

　　世界銀行集團(tuán)材料的特性

　　寬帶隙材料因其優(yōu)于常用硅(Si)的優(yōu)勢(shì)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(chǎng)遠(yuǎn)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(diǎn) 碳化硅功率器件與硅基同行相比，以下幾點(diǎn)：

　　低開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗。該特性能夠以更低的損耗實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而減少無(wú)源元件和磁性元件

　　低傳導(dǎo)損耗：由于沒(méi)有雙極結(jié)，SiC 器件還可以降低輕負(fù)載或部分負(fù)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(jiǎn)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(diǎn) 氮化鎵功率器件，與Si和SiC對(duì)應(yīng)物相比，如下：

　　GaN器件可以在第三象限工作，無(wú)需反向恢復(fù)電荷，即使它們沒(méi)有本征體二極管。因此，無(wú)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(dòng)器損耗和更快的切換速率

　　零反向恢復(fù)，從而降低開(kāi)關(guān)損耗和EMI噪聲

　　高 dv/dt：GaN 可以在非常高的頻率下開(kāi)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(tuán)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(lái)源： 英飛凌)

　　混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車

　　H/EV 使用多種電力電子系統(tǒng)將電網(wǎng)或發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換為適合為電機(jī)和輔助設(shè)備供電的形式。大多數(shù)H / EV還使用再生制動(dòng)，其中車輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)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(lái)自電池的直流高壓轉(zhuǎn)換為交流電，為三相電機(jī)供電(見(jiàn)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?fù)浣Y(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(lái)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(kāi)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(shí)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(fù)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(shí)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(yùn)輸

　　電動(dòng)列車通過(guò)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(jī)和輔助系統(tǒng)的形式。如果列車在交流線路上運(yùn)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(guò)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(jī)供電，并重新調(diào)節(jié)再生制動(dòng)產(chǎn)生的電力。因此，該轉(zhuǎn)換器旨在運(yùn)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(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的需求提供動(dòng)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(jí)：

　　過(guò)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(dòng)將部分電力返回當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)、鐵路配電系統(tǒng)或儲(chǔ)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(chǔ)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(kāi)關(guān)頻率和功率密度。

　　必須降低傳導(dǎo)和開(kāi)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(duì)于廣泛使用的雙極硅功率器件，增加傳導(dǎo)損耗和降低開(kāi)關(guān)損耗會(huì)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(kāi)關(guān)損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。因此，可以降低開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)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(guò)再生制動(dòng)返回的能量將增加。WBG設(shè)備還提供額外的優(yōu)勢(shì)，除了提高效率外，還大大有助于鐵路運(yùn)輸，例如：

　　減輕重量對(duì)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(kāi)關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)更小的無(wú)源尺寸，從而減輕牽引和輔助逆變器的重量。由于開(kāi)關(guān)頻率更高，逆變器和電機(jī)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(tīng)不到，并且冷卻風(fēng)扇可能會(huì)關(guān)閉，因此當(dāng)火車存在時(shí)，鐵路站的噪音會(huì)降低。

　　船舶和航空應(yīng)用

　　長(zhǎng)期以來(lái)，電力電子創(chuàng)新使船舶行業(yè)受益匪淺。在船上，來(lái)自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的同步發(fā)電機(jī)的中壓交流級(jí)電力供應(yīng)給各種負(fù)載。推進(jìn)驅(qū)動(dòng)器(AC-DC和DC-AC轉(zhuǎn)換器的混合物)和其他負(fù)載主要在其中。

　　海洋部門(mén)的最新趨勢(shì)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(jī)與交流配電同步的需要，前提是它們可以以可變速度運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)燃料節(jié)約。另一方面，它需要在交流發(fā)電機(jī)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(jìn)變速驅(qū)動(dòng)器是船舶的關(guān)鍵部件，必須以極高的可靠性運(yùn)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(dòng)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(shí)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(lái)硅技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的尖端電力電子系統(tǒng)解決方案。

　　未來(lái)的燃料渦輪動(dòng)力發(fā)電機(jī)將成為混合動(dòng)力和全電動(dòng)航空電子推進(jìn)系統(tǒng)的主要推動(dòng)者。隨后將使用電力電子設(shè)備連接發(fā)電機(jī)和電機(jī)。需要非常高的直流電壓總線來(lái)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(jī)的MV范圍。此外，高直流電壓總線使得使用永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)成為可能，從而降低了無(wú)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(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行的設(shè)備，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速快，這會(huì)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(shí)確保高轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于較低功率范圍內(nèi)的飛機(jī)，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?fù)?，以滿足大型飛機(jī)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)。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(yùn)輸。

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

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

　　除了電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車外，寬帶隙半導(dǎo)體還用于其他運(yùn)輸形式，如飛機(jī)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(yùn)營(yíng)成本并提高安全性。