Halvledere med bredt båndgab transformerer transportverdenen

Hele transportsektoren er ved at gennemgå en radikal forandring, hvor køretøjer med forbrændingsmotor (ICE) gradvist giver plads til mindre forurenende el- og hybridbiler og renere massetransportløsninger (tog, fly og skibe). Der er behov for løsninger, der kan maksimere effektiviteten og reducere miljøpåvirkningen, for at begrænse udledningen af drivhusgasser og afbøde den globale opvarmning.

WBG-halvledere (Wide Bandgap) har flere egenskaber, der gør dem attraktive til transportformål. Deres anvendelse kan resultere i mere effektive, hurtigere og lette køretøjer med større rækkevidde og mindre miljøbelastning.

Egenskaber for WBG-materialer

Materialer med bredt båndgab er i færd med at forandre området for effektelektronik hurtigt på grund af deres fordele i forhold til almindeligt anvendt silicium (Si). Mens silicium har et båndgab på 1,1 elektronvolt (eV), har WBG-materialer et båndgab på 2 til 4 eV. Desuden er det elektriske felt ved nedbrydning for de fleste WBG-halvledere væsentligt højere end for silicium. Det betyder, at de kan fungere ved betydeligt højere temperaturer og spændinger, hvilket giver højere effektniveauer og lavere tab. Tabel 1 viser de vigtigste egenskaber for siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN), de to mest populære WBG-materialer, sammenlignet med silicium.

Tabel 1: Sammenligning af egenskaberne for Si, SiC og GaN.

De vigtigste fordele ved SiC-strømforsyningsenheder sammenlignet med siliciumbaserede modstykker er følgende:

• Lavt koblingstab: SiC MOSFET'er er unipolære enheder, der udviser meget lave tænd- og sluktab ved kobling. Denne egenskab muliggør højere koblingsfrekvenser med lavere tab, hvilket gør det muligt at reducere antallet af passive komponenter og magnetiske komponenter
• Lavt ledningstab: På grund af fraværet af en bipolær junction kan SiC-enheder også reducere tabene under let belastning eller delvist belastet drift
• Høje driftstemperaturer: Siliciumcarbid har bedre termiske egenskaber end silicium. SiC udviser lave lækstrømme over et bredt temperaturområde, hvilket muliggør drift ud over 200 °C. Forenklet køling og fremragende termisk styring er en konsekvens af denne egenskab
• Intrinsisk diode: Takket være denne egenskab kan SiC MOSFET'er fungere i diodetilstand i tredje kvadrant, hvilket giver en fremragende ydeevne i strømapplikationer

Ved at kombinere ovenstående egenskaber kan man opnå SiC-enheder med højere effekttæthed, effektivitet, driftsfrekvenser og mindre fodaftryk.

De vigtigste fordele ved GaN-strømforsyningsenheder sammenlignet med Si- og SiC-enheder er følgende:

• GaN-enheder kan fungere i den tredje kvadrant uden omvendt genoprettelsesladning, selv om de ikke har en indbygget kropsdiode. Der er derfor ikke behov for en antiparallel diode

• Lav gate-ladning Q_G og on-modstand R_DS(ON), hvilket giver lavere drevtab og hurtigere koblingshastigheder
• Ingen omvendt genopretning, hvilket giver lavere koblingstab og mindre EMI-støj
• Høj dv/dt: GaN kan skifte ved meget høje frekvenser og har 4x hurtigere tænding og 2x hurtigere slukning end SiC MOSFETs med tilsvarende R_DS(ON)

Anvendelse af WBG-udstyr

Som det fremgår af figur 1, er der applikationer, hvor SiC og GaN giver den bedste ydeevne, og andre applikationer, hvor deres egenskaber overlapper siliciumets egenskaber. GaN-enheder er ofte det bedste valg til højfrekvente applikationer, mens SiC-enheder har et stort potentiale ved høje spændinger.

Figur 1: Potentielle anvendelser af Si-, SiC- og GaN-enheder. (Kilde: Infineon)

Hybrid- og elektriske køretøjer

H/EV'er bruger flere effektelektroniske systemer til at omdanne energi fra nettet eller motoren til en form, der er egnet til at drive motorer og hjælpe enheder. De fleste H/EV'er bruger også regenerativ bremsning, hvor hjulene drejer generatoren for at oplade batteriet.

Traktionsinverteren er en vigtig komponent i disse køretøjer, der konverterer DC-højspændingen fra batterierne til AC til at forsyne en trefase motor med strøm (se figur 2). På grund af den høje effekt, der er involveret, foretrækkes SiC-enheder i denne anvendelse med en nominel effekt på 650 V eller 1,2 kV, afhængigt af inverterens topologi. SiC hjælper med at reducere tab, størrelse og vægt, hvilket giver mulighed for løsninger med små formfaktorer.

Figur 2: Hovedkomponenterne i en H/EV. (Kilde: ROHM Semiconductor)

Den indbyggede oplader (OBC) er forbundet til nettet og konverterer AC til DC for at oplade batteriet. OBC-udgangseffekten er normalt på mellem 3,3 kW og 22 kW og er afhængig af højspændingsenheder (600 V og derover). Selv om både SiC og GaN er velegnede til denne anvendelse, gør GaN's egenskaber, såsom høj koblingsfrekvens, lavt ledningstab og reduceret vægt og størrelse, det til den ideelle løsning til implementering af OBC'er.

En anden anvendelse af WBG i H/EV'er er DC/DC-konverteren til lavspænding (LV), som er ansvarlig for at nedsætte batterispændingen (200 V i HEV'er og over 400 V i EV'er) til den 12 V/48 V DC-spænding, der er nødvendig for at forsyne hjælpesystemerne med strøm. LV-konverteren har en typisk effekt på mindre end 1 kW og kan opnå højere frekvenser ved hjælp af GaN- og SiC-enheder.

Tabel 2 opsummerer, hvordan Si, SiC og GaN opfylder kravene i de tidligere nævnte H/EV-applikationer.

Tabel 2: Anvendelse af WBG i H/EV'er og sammenligning af ydeevne med Si.

Jernbanetransport

Elektriske tog får strøm fra nettet via en køreledning eller en tredje skinne og omdanner den til en form, der passer til motorerne og hjælpesystemerne. Hvis toget kører på en AC-ledning, skal en transformer og ensretter nedsætte og konditionere spændingen til DC. DC-spændingen opdeles derefter og leveres gennem invertere til at dække behovene i hjælpe- og trækkraft systemerne.

Traktionsinverteren omdanner DC til AC til at forsyne motorerne og omkonditionerer den elektricitet, der produceres ved regenerativ bremsning. Derfor er denne konverter designet til at køre en tovejsstrøm af energi. I stedet leverer den ekstra inverter strøm til kølesystemer, passagerernes komfort og andre ikke-bevægelsesrelaterede behov.

Størrelsen af effektelektronikken i traktionsinverteren afhænger af togklassen:

• Transittog: 1,2 kV til 2,5 kV
• S-tog: 1,7 kV til 3,3 kV
• Intercitytog: Over 3,3 kV

De fleste tog bruger dog enten 3,3 kV eller 1,7 kV.

Regenerativ bremsning, som returnerer en del af elektriciteten til det lokale net, jernbane strømforsyninssystem eller energilagring, gør systemet mere kompliceret end i de tidligere nævnte anvendelser. Regenereret energi skal gemmes eller bruges straks, ellers går den tabt.

Bipolære Si-baserede IGBT'er og friløbsdioder, der traditionelt anvendes i strømforsyningsmoduler til jernbanetraktion-applikationer, kan erstattes af unipolære SiC-baserede MOSFET'er og dioder, hvorved koblingsfrekvensen og effekttætheden øges.

Lednings- og koblingstab skal reduceres, og den maksimale temperatur i forbindelsesstedet skal øges for at reducere vægten og volumenet af det elektroniske udstyr, der anvendes i jernbanetraktion. For de udbredte bipolære silicium strømforsyningsenheder har stigende ledningstab og faldende koblingstab modsatrettede virkninger. En unipolær enhed oplever ikke den afvejning mellem lednings- og koblingstab, som bipolære enheder gør. Som et resultat heraf kan man reducere koblingstabet og samtidig minimere ledningstabet.

Effekttab i den elektriske skinne kan reduceres drastisk med WBG power electronics. Som et resultat heraf vil der blive trukket mindre energi fra nettet, og mere vil blive returneret via regenerativ bremsning. WBG-enheder giver også yderligere fordele, som ud over effektivitetsforbedringer også kan hjælpe jernbanetransporten betydeligt, f.eks:

• Reduceret vægt har en betydelig indvirkning på effektiviteten
• Højere driftstemperatur giver mulighed for et mindre kølesystem
• Den øgede koblingsfrekvens muliggør mindre passive dimensioner, hvilket reducerer vægten af traktions- og hjælpeinvertere. Inverteren og motoren kan reagere hurtigere på ændringer i efterspørgslen takket være den højere koblingsfrekvens, hvilket øger effektiviteten. Da den højere frekvens er mindre hørbar, og da køleblæsere kan slukkes, vil jernbane stoppestederne være mindre støjende, når der er tog til stede.

Anvendelse til søfart og luftfart

Innovationer inden for effektelektronik har længe været til gavn for den maritime sektor. På skibet forsynes forskellige forbrugere med AC-mellemspænding fra synkrone generatorer drevet af dieselmotorer. Fremdrivningsdrev (en blanding af AC/DC- og DC/AC-konverter) og andre belastninger er primært blandt dem.

De seneste tendenser i søfartssektoren går i retning af at erstatte AC-net med DC-net. Denne løsning fjerner behovet for at synkronisere generatorerne med distributionen af AC, forudsat at de kan fungere med variable hastigheder, og giver brændstofbesparelser. På den anden side kræver det indførelsen af ensretterkredsløb (AC/DC-konverter) mellem AC-generatorer og DC-distributionsnettet.

Variable drev med variabel hastighed til fremdrift af skibe er vigtige skibskomponenter, der skal fungere med ekstrem pålidelighed. De har ofte en effekt på mellem nogle få watt og nogle få tiendedele megawatt. Ofte er disse drev de vigtigste blokke i strømkonvertering i et skib med AC-distribution. Derfor er deres store effektivitet afgørende.

Endnu en gang er konventionelle siliciumbaserede strømforsyningsenheder ved at blive erstattet af SiC- og GaN-enheder, som øger effektiviteten og samtidig reducerer størrelse og vægt. WBG-enheder vil snart overhale Si-baserede enheder som førende i branchen, idet de vil tilbyde banebrydende strømelektroniske systemløsninger, som er umulige med siliciumteknologi.

Fremtidige brændstof-turbine-drevne elektriske generatorer vil være den primære drivkraft for hybride og helt elektriske fremdriftssystemer indenfor flyvning . Derefter vil der blive anvendt effektelektronik til at forbinde generator og motor. Det er nødvendigt med meget høje DC-busser for at sikre, at der er nok strøm til rådighed. Disse busser kan have en spænding på mellem et par kV for lette køretøjer og MV for flyvemaskiner. Desuden gør en bus med høj DC-spænding det muligt at anvende synkrone maskiner med permanente magneter som generatorer, hvilket reducerer den reaktive effekt og effektelektronikkenes nominelle effekt. Strømkonverterne har brug for udstyr, der kan fungere ved høje koblingsfrekvenser på grund af den høje generator rotationshastighed, hvilket resulterer i mindre og lettere filterelementer.

Siliciumcarbid er den mest lovende halvlederenhed til at opfylde alle krav og samtidig sikre en høj konverteringseffektivitet. For fly i det lavere effektområde er nyudviklede 3,3 kV- og 6,5 kV SiC MOSFET-enheder af stor interesse. De kan også anvendes i modulære strøm konvertertopologier for at opfylde større flys højere spændings-/effektkrav.

Konklusion

Halvledere med bredt båndgab, som f.eks. siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN), har flere fordele i forhold til traditionelle halvledere, idet de kan klare høje spændinger og temperaturer med lavere effekttab. Disse egenskaber gør dem særligt velegnede til effektelektronik, der anvendes i forskellige applikationer, herunder transport.

WBG-halvledere anvendes i transportindustrien til at udvikle mere effektive og pålidelige el- og hybridkøretøjer. Det lavere effekttab ved halvledere med bredt båndgab giver mulighed for højere koblingsfrekvenser, hvilket reducerer effektelektronikkens størrelse og vægt. Dette kan igen resultere i større rækkevidde, hurtigere opladningstider og bedre generel ydeevne.

Halvledere med bredt båndgab gør det også muligt at udvikle mere kompakte og effektive drivlinier, herunder motordrev og invertere til elbiler og HEV'er. Ved at reducere størrelsen og vægten af disse komponenter kan køretøjsdesignere frigøre plads til andre komponenter eller forbedre køretøjets samlede aerodynamik.

Ud over elektriske og hybride elektriske køretøjer anvendes halvledere med bredt båndgab også i andre transportformer som f.eks. fly og tog. I disse applikationer kan halvledere med bred båndgabs kapacitet til høje temperaturer og højspænding forbedre effektiviteten og pålideligheden af effektelektronikken, hvilket fører til lavere driftsomkostninger og forbedret sikkerhed.