Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej zmieniają świat transportu

Cały sektor transportowy przechodzi radykalną transformację - pojazdy z silnikami spalinowymi (ICE) są stopniowo zastępowane samochodami elektrycznymi i hybrydowymi wytwarzającymi mniej zanieczyszczeń oraz czystszymi środkami komunikacji zbiorowej (pociągi, samoloty i statki). Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych i złagodzenie globalnego ocieplenia klimatu wymaga rozwiązań maksymalizujących wydajność i zmniejszających wpływ na środowisko.

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) wykazują właściwości korzystne dla zastosowań w transporcie. Ich zastosowanie może zaowocować opracowaniem bardziej wydajnych, szybszych i lżejszych pojazdów o zwiększonym zasięgu i mniejszym wpływie na środowisko.

Właściwości półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG)

Materiały o szerokiej przerwie energetycznej przyczyniają się do szybkich zmian w energoelektronice ze względu na ich zalety w porównaniu z powszechnie stosowanym krzemem (Si). Podczas gdy przerwa energetyczna krzemu wynosi 1,13eV, przerwa energetyczna materiałów WBG to 2-4eV. Ponadto pole elektryczne przebicia większości półprzewodników WBG jest znacznie wyższe niż dla krzemu. Oznacza to, że mogą one pracować przy znacznie wyższych temperaturach i wartościach napięcia, zapewniając wyższy poziom mocy i niższe straty. Tabela 1 zestawia główne własności węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN), dwóch najpopularniejszych materiałów WBG, w porównaniu do krzemu.

Tabela 1: porównanie właściwości krzemu (Si), węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN).

Główne zalety urządzeń mocy SiC w porównaniu do ich odpowiedników opartych na krzemie:

• Niskie straty przełączania: tranzystory SiC MOSFET są urządzeniami unipolarnymi, które wykazują bardzo niskie straty przełączania podczas włączania i wyłączania. Ta właściwość umożliwia uzyskanie wyższych częstotliwości przełączania przy niższych stratach, co pozwala na redukcję liczby komponentów pasywnych i magnetycznych
• Niskie straty przewodzenia: ze względu na brak złącza bipolarnego, urządzenia oparte na SiC pozwalają również zmniejszyć straty podczas pracy przy małym lub częściowym obciążeniu
• Wysokie temperatury robocze: węglik krzemu (SiC) zapewnia lepsze właściwości termiczne niż krzem. SiC wykazuje niski prąd upływu w szerokim zakresie temperatur, co umożliwia pracę w temperaturach powyżej 200°C. Uproszczone chłodzenie i doskonałe odprowadzanie ciepła są konsekwencją tej właściwości
• Wewnętrzna dioda podłożowa: dzięki tej właściwości tranzystory SiC MOSFET mogą pracować w trybie diodowym w trzeciej ćwiartce, zapewniając doskonałe parametry działania w zastosowaniach energetycznych

Połączenie powyższych właściwości pozwala na uzyskanie urządzeń węglikowo-krzemowych (SiC) o większej gęstości mocy, sprawności, częstotliwości roboczej i mniejszych rozmiarach.

Główne zalety urządzeń mocy GaN w porównaniu do odpowiedników Si i SiC:

• Urządzenia oparte na GaN mogą pracować w trzeciej ćwiartce bez ładunku regeneracji wstecznej, mimo że nie posiadają wewnętrznej diody podłożowej. W związku z tym nie ma potrzeby stosowania diody przeciwrównoległej

• Niski ładunek bramki Q_G i rezystancja w stanie włączenia R_DS(ON) przekładają się na niższe straty sterowania i szybsze przełączanie
• Zerowa regeneracja wsteczna skutkuje mniejszymi stratami przełączania i zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI)
• Wysokie szybkości przełączania dv/dt: urządzenia oparte na azotku galu (GaN) mogą przełączać się przy bardzo wysokich częstotliwościach oraz 4x szybciej włączać i 2x szybciej wyłączać niż tranzystor SiC MOSFET o podobnej rezystancji R_DS(ON)

Zastosowania urządzeń o szerokiej przerwie energetycznej (WBG)

Jak przedstawiono na ilustracji 1, istnieją zastosowania, w których węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN) oferują najlepsze parametry działania, a w innych dziedzinach ich charakterystyka pokrywa się z charakterystyką krzemu. Często urządzenia oparte na azotku galu (GaN) są najlepszym wyborem dla zastosowań wysokoczęstotliwościowych, podczas gdy węglik krzemu (SiC) ma duży potencjał wykorzystania przy wysokich napięciach.

Ilustracja 1: możliwe zastosowania urządzeń opartych na krzemie (Si), węgliku krzemu (SiC) i azotku galu (GaN). (Źródło: Infineon)

Pojazdy hybrydowe i elektryczne

W pojazdach hybrydowych i elektrycznych (H/EV) do przekształcania energii z sieci lub silnika w formę odpowiednią do zasilania silnika i urządzeń pomocniczych stosuje się kilka układów energoelektronicznych. Większość tych pojazdów wykorzystuje również hamowanie odzyskowe, w którym koła obracają generator w celu naładowania akumulatora.

Przemiennik trakcyjny jest głównym elementem tych pojazdów. Przekształca on prąd stały wysokiego napięcia z akumulatorów na prąd zmienny do zasilania silnika trójfazowego (ilustracja 2). Ze względu na dużą moc w tym zastosowaniu, preferowane są urządzenia węglikowo-krzemowe (SiC) o napięciu znamionowym 650V lub 1,2kV, w zależności od topologii przemiennika. Węglik krzemu (SiC) pomaga zmniejszyć straty, rozmiar i wagę, co pozwala na stosowanie rozwiązań o małych wymiarach.

Ilustracja 2: główne komponenty pojazdów hybrydowych i elektrycznych (H/EV). (Źródło: ROHM Semiconductor)

Ładowarka wbudowana (OBC) jest połączona z siecią, przekształcając napięcie zmienne na stałe w celu naładowania akumulatora. Moc wyjściowa ładowarki wbudowanej wynosi zwykle od 3,3kW do 22kW, a jej praca opiera się na wysokonapięciowych urządzeniach mocy (600V i więcej). Chociaż zarówno SiC jak i GaN nadają się do tego zastosowania, cechy GaN, takie jak wysoka częstotliwość przełączania, niskie straty przewodzenia oraz zmniejszona waga i rozmiary, czynią go idealnym rozwiązaniem do implementacji w ładowarkach wbudowanych (OBC).

Innym zastosowaniem półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) w pojazdach hybrydowych i elektrycznych (H/EV) są niskonapięciowe (LV) przetwornice prądu stałego odpowiedzialne za obniżenie napięcia akumulatora (200V w pojazdach hybrydowych, ponad 400V w pojazdach elektrycznych) do napięcia 12V/48V= wymaganego do zasilania systemów pomocniczych. Przetwornice niskiego napięcia (LV) charakteryzują się typową mocą poniżej 1kW i mogą osiągnąć wyższe częstotliwości przy użyciu urządzeń GaN i SiC.

W tabeli 2 podsumowano sposób, w jaki urządzenia Si, SiC i GaN spełniają wymagania wymienionych wcześniej zastosowań w pojazdach hybrydowych i elektrycznych (H/EV).

Tabela 2: zastosowania półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) w pojazdach hybrydowych i elektrycznych (H/EV) oraz porównanie parametrów działania z krzemem (Si).

Systemy kolejowe

Pociągi elektryczne pobierają energię z sieci trakcyjnej lub trzeciej szyny, przekształcając ją w formę odpowiednią dla silników i systemów pomocniczych. Jeśli pociąg działa na linii prądu zmiennego, transformator i prostownik muszą obniżyć napięcie i przekształcić je na prąd stały. Napięcie prądu stałego jest następnie rozdzielane oraz dostarczane przez przemienniki do systemów pomocniczych i trakcyjnych.

Przemiennik trakcyjny przekształca prąd stały na prąd zmienny w celu zasilenia silników i ponownie przetwarza energię elektryczną wytwarzaną podczas hamowania odzyskowego. Dlatego przemienniki są zaprojektowane pod kątem dwukierunkowego przepływu energii. Zamiast tego przemiennik pomocniczy dostarcza energię do układów chłodzenia, poprawy warunków podróży pasażerów i innych potrzeb niezwiązanych z ruchem.

Rozmiary układów energoelektronicznych w przemienniku trakcyjnym zależą od klasy pociągu:

• Pociągi tranzytowe: od 1,2kV do 2,5kV
• Pociągi podmiejskie: od 1,7kV do 3,3kV
• Pociągi międzymiastowe: powyżej 3,3kV

Większość pociągów korzysta jednak z napięcia 3,3kV lub 1,7kV.

Hamowanie odzyskowe, które zwraca część energii elektrycznej do lokalnej sieci, kolejowego systemu rozdziału zasilania lub magazynu energii, sprawia, że system jest bardziej skomplikowany niż w przypadku wcześniej wymienionych zastosowań. Zregenerowana energia musi być przechowana lub wykorzystana natychmiast, w przeciwnym razie zostanie utracona.

Bipolarne tranzystory IGBT oparte na krzemie (Si) i diody gaszące stosowane tradycyjnie w modułach zasilania stosowanych w trakcjach kolejowych można zastąpić unipolarnymi tranzystorami MOSFET i diodami opartymi na węgliku krzemu (SiC), zwiększając w ten sposób częstotliwość przełączania i gęstość mocy.

Aby zmniejszyć wagę i wielkość urządzeń energoelektronicznych w zastosowaniach kolejowych, należy zmniejszyć straty związane z przewodzeniem i przełączaniem oraz podnieść maksymalną temperaturę złącza. W przypadku powszechnie stosowanych bipolarnych krzemowych urządzeń mocy zwiększenie strat przewodzenia i zmniejszenie strat przełączania ma przeciwne skutki. Urządzenia unipolarne nie podlegają kompromisom pomiędzy stratami przewodzenia i przełączania, jak ma to miejsce w przypadku urządzeń bipolarnych. W rezultacie straty przełączania mogą być zmniejszone przy jednoczesnej minimalizacji strat przewodzenia.

Straty mocy w szynie elektrycznej mogą być drastycznie zmniejszone dzięki energoelektronice WBG. W rezultacie mniej energii zostanie pobrane z sieci, a więcej zostanie zwrócone w wyniku hamowania odzyskowego. Urządzenia o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) oferują również dodatkowe korzyści znacząco wspierające transport kolejowy, wykraczające poza opisane niżej zwiększenie sprawności:

• Mniejsza waga ma znaczący wpływ na efektywność
• Wyższa temperatura robocza pozwala na zastosowanie mniejszego systemu chłodzenia
• Wyższa częstotliwość przełączania umożliwia użycie mniejszych elementów pasywnych, co obniża wagę przemienników trakcyjnych i pomocniczych. Dzięki wyższej częstotliwości przełączania, przemiennik i silnik mogą szybciej reagować na zmiany zapotrzebowania, co zwiększa wydajność. Ponadto wyższa częstotliwość jest mniej słyszalna, a wentylatory chłodzące mogą być wyłączone, przez co perony będą mniej hałaśliwe.

Zastosowania morskie i lotnicze

Innowacje w dziedzinie energoelektroniki od dawna przynoszą korzyści sektorowi morskiemu. Na statku prąd zmienny średniego napięcia pochodzący z generatorów synchronicznych napędzanych przez silniki wysokoprężne jest dostarczany do różnych odbiorników. Wśród nich znajdują się przede wszystkim napędy (kombinacje przetwornic prądu zmiennego na stały i stałego na zmienny) oraz inne odbiorniki.

Ostatnie trendy w sektorze morskim zmierzają ku zastąpieniu elektrycznych sieci dystrybucji prądu zmiennego sieciami dystrybucji prądu stałego. Rozwiązanie to eliminuje konieczność synchronizacji generatorów w sieci dystrybucji prądu zmiennego, co pozwala na pracę ze zmienną prędkością, oraz oszczędza paliwo. Z drugiej strony wymaga to wprowadzenia obwodów prostowniczych (przetwornic prądu zmiennego na stały) pomiędzy generatorami prądu zmiennego a siecią dystrybucji prądu stałego.

Morskie napędy zmiennej prędkości są krytycznymi komponentami statku, dlatego muszą pracować z najwyższą niezawodnością. Ich moc znamionowa wynosi często od kilku watów do kilkudziesięciu megawatów. Często napędy te są najważniejszymi blokami konwersji mocy na statku z rozdziałem zasilania prądem zmiennym. Dlatego ich wysoka sprawność ma tak wielkie znaczenie.

Również w tym przypadku konwencjonalne urządzenia zasilające oparte na krzemie (Si) są zastępowane urządzeniami opartymi na węgliku krzemu (SiC) i azotku galu (GaN), które zwiększają sprawność przy mniejszym rozmiarze i masie. Urządzenia o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) wkrótce zastąpią urządzenia oparte na krzemie (Si) na pozycji lidera w branży, przynosząc najnowocześniejsze rozwiązania systemów energoelektronicznych, które są niemożliwe do zbudowania w technologii krzemowej.

Generatory elektryczne napędzane turbinami paliwowymi będą w przyszłości głównym motorem napędowym hybrydowych i elektrycznych systemów lotniczych. Układy energoelektroniczne będą wykorzystywane do łączenia generatora i silnika. Aby zapewnić wystarczającą moc, konieczne są szyny bardzo wysokich napięć prądu stałego. Szyny te mogą mieć napięcie od kilku kV w przypadku lekkich pojazdów do wartości wyrażonych w MV w przypadku samolotów. Ponadto szyna wysokiego napięcia prądu stałego umożliwia zastosowanie maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi jako generatorów, co obniża moc bierną i parametry znamionowe elementów energoelektronicznych. Przetwornice mocy wymagają urządzeń działających z wysokimi częstotliwościami przełączania ze względu na dużą prędkość obrotową generatora, co skutkuje mniejszymi rozmiarami i wagą elementów filtrów.

Węglik krzemu jest najbardziej obiecującym materiałem półprzewodnikowym spełniającym wszystkie wymagania, zapewniając jednocześnie wysoką sprawność konwersji. W przypadku samolotów o niższej mocy dużym zainteresowaniem cieszą się nowe urządzenia oparte na tranzystorach SiC MOSFET na napięcie 3,3kV i 6,5kV. Mogą one być również stosowane w modułowych topologiach przetwornic mocy, aby spełnić wyższe wymagania samolotów w zakresie napięcia i mocy.

Podsumowanie

Stosowanie półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), ma szereg zalet w porównaniu z tradycyjnymi półprzewodnikami, ponieważ mogą pracować przy wysokich napięciach i temperaturach oraz mniejszych stratach mocy. Te cechy sprawiają, że szczególnie dobrze nadają się do energoelektroniki używanej w różnych zastosowaniach, w tym w transporcie.

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) są wykorzystywane w przemyśle transportowym do konstruowania niezawodnych pojazdów elektrycznych i hybrydowych o wyższej sprawności. Niższe straty mocy w półprzewodnikach o szerokiej przerwie energetycznej umożliwiają zastosowanie wyższych częstotliwości przełączania, zmniejszając rozmiar i masę elementów energoelektronicznych. To z kolei pozwala uzyskać większe zasięgi, krótsze czasy ładowania i lepsze ogólne parametry działania pojazdu.

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej umożliwiają również opracowanie bardziej kompaktowych układów napędowych o wyższej sprawności, w tym napędów silnikowych i przemienników dla pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV). Poprzez zmniejszenie rozmiarów i wagi tych komponentów projektanci pojazdów mogą zwolnić miejsce dla innych komponentów lub poprawić aerodynamikę pojazdu.

Oprócz pojazdów elektrycznych i hybrydowych, półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej są również wykorzystywane w innych środkach transportu, takich jak samoloty i pociągi. Tu właściwości tych półprzewodników w zakresie wysokich temperatur i napięć mogą poprawić sprawność i niezawodność elementów energoelektronicznych, prowadząc do zmniejszenia kosztów operacyjnych i poprawy bezpieczeństwa.