寬帶隙半導(dǎo)體重塑交通運(yùn)輸行業(yè)

作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 北美編輯

整個(gè)交通運(yùn)輸行業(yè)正在經(jīng)歷一場徹底的變革，內(nèi)燃機(jī) (ICE) 汽車逐漸讓位于污染更少的電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，以及更清潔的公共交通解決方案（火車、飛機(jī)和輪船）。為了控制溫室氣體 (GHG) 排放并減緩全球變暖，我們需要既能最大限度提高效率，又能減少環(huán)境影響的解決方案。

寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體具備多種特性，使得其對交通運(yùn)輸應(yīng)用具有很大吸引力。使用這些半導(dǎo)體可以打造更高效、更快速、更輕巧的汽車，增加續(xù)航里程，減少環(huán)境影響。

WBG 材料的特性

由于寬帶隙材料比常用的硅 (Si) 更具優(yōu)勢，它們正在迅速改變電力電子器件市場。硅的帶隙為 1.1 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(yuǎn)高于硅。這意味著它們能夠在更高的溫度和電壓下工作，從而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) 這兩種最流行的 WBG 材料與硅相比的主要特性。

| | 特性 | SI | SIC | GAN |
| ------------------------ | ------------- | --------------- | --------------- |
| 帶隙能量 (eV) | 1.1 | 3.2 | 3.4 |
| 擊穿電場 (MV/cm2) | 0.3 | 3.5 | 3.3 |
| 電子遷移率 (cm2/V?s) | 1500 | 900 | 900-2000 |
| 電子飽和速度 (cm/s) | 1 ? 10^7^ | 2.2 ? 10^7^ | 2.5 ? 10^7^ |
| 導(dǎo)熱率 (W/cm?K) | 1.5 | 5.0 | 1.3 |
| 介電常數(shù) | 11.8 | 10 | 8.9 |

表 1：硅、SiC 和 GaN 的特性比較。

與硅基同類產(chǎn)品相比，[SiC 功率器件]的主要優(yōu)勢如下：

• 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。這種特性可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更低的損耗，從而減少無源元器件和磁體
• 低傳導(dǎo)損耗：由于沒有雙極結(jié)，SiC 器件還可以減少輕載或部分負(fù)載運(yùn)行時(shí)的損耗
• 高工作溫度：與硅相比，碳化硅具有優(yōu)良的熱性能。SiC 在廣泛的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出低漏電流，允許工作溫度超過 200°C。這一特性使得其可以采用簡化的冷卻方案并實(shí)現(xiàn)出色的熱管理
• 本征體二極管：得益于這種特性，SiC MOSFET 可以在第三象限的二極管模式下工作，從而在電源應(yīng)用中提供出色的性能

結(jié)合上述特性，就可以得到具有更高功率密度、效率、工作頻率和更緊湊外形的 SiC 器件。

與基于硅和 SiC 的同類產(chǎn)品相比，[GaN 功率器件]的主要優(yōu)勢如下：

• 即便沒有本征體二極管，GaN 器件也能工作在第三象限，而不產(chǎn)生反向恢復(fù)電荷。因此沒有必要使用反并聯(lián)二極管
• 較低的柵極電荷 QG 和導(dǎo)通電阻 R DS(ON) ，可以轉(zhuǎn)化為更低的驅(qū)動(dòng)損耗和更快的開關(guān)速率
• 零反向恢復(fù)，可降低開關(guān)損耗并減少 EMI 噪聲
• 高 dv/dt：GaN 器件可在很高的頻率下開關(guān)，與具有相近 RDS(ON) 的 SiC MOSFET 相比，導(dǎo)通速度快 3 倍，關(guān)斷速度快 1 倍

WBG 器件的應(yīng)用

正如圖 1 所重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的，在某些應(yīng)用中，SiC 和 GaN 器件提供最好的性能，而在其他應(yīng)用中，它們的特性與硅器件相仿。通常，GaN 器件是高頻應(yīng)用的最佳選擇，而 SiC 器件在高壓應(yīng)用中具有很高的潛力。

圖 1：硅、SiC 和 GaN 器件的潛在應(yīng)用。（來源：[Infineon]）

混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車

混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車 (H/EV) 使用多個(gè)電力電子系統(tǒng)，將電網(wǎng)或發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化為適合為電機(jī)和輔助設(shè)備供電的形式。大多數(shù)混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車還使用再生制動(dòng)，通過車輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，為電池充電。

牽引逆變器是這些車輛的關(guān)鍵部件，將來自電池的直流高壓轉(zhuǎn)換為交流電，為三相電機(jī)供電（參見圖 2）。由于涉及到高功率，SiC 器件是此類應(yīng)用的首選，其額定電壓為 650V 或 1.2kV，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，支持小尺寸解決方案。

圖 2：混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車的主要部件。（來源：[ROHM Semiconductor]）

車載充電器 (OBC) 連接到電網(wǎng)，將交流轉(zhuǎn)換為直流電壓，為電池充電。OBC 的輸出功率通常介于 3.3 kW 到 22 kW 之間，并依賴于高壓（600 V 以上）功率器件。雖然 SiC 和 GaN 都適合這種應(yīng)用，但 GaN 器件的特性，如高開關(guān)頻率、低傳導(dǎo)損耗、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 在混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車領(lǐng)域的另一個(gè)應(yīng)用是低壓 (LV) DC-DC 轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)將電池電壓（混合動(dòng)力汽車為 200V，電動(dòng)汽車為 400V 以上）降至為輔助系統(tǒng)供電所需的 12V/48V 直流電壓。該低壓轉(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)了硅、SiC 和 GaN 器件如何滿足前面提到的混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車應(yīng)用的要求。

| | 類型 | 車載充電器 | 逆變器和高壓轉(zhuǎn)換器 | 低壓轉(zhuǎn)換器 |
| ------------ | --------------------- | --------------------------- | --------------------- |
| 功率 | 3.3 kV > | 12 kW 至 400 kW | 1 kW 至 10 kW |
| 輸入電壓 | 120 V 至 240 V | 200 V 至 400 V | 200 V 至 400 V |
| 輸出電壓 | 200 V 至 400 V | 100 V 至 650 V | 12 V 至 48 V |
| 硅的效率 | 85% 至 93% | 83% 至 95% | 85% 至 90% |
| SiC 的效率 | 95% 至 96% | 96% 至 97% | 96% 至 99% |
| GaN 的效率 | 94% 至 98% | 不適用 | 95% 至 99% |
| 功率器件 | 分立
600 V 至 900 V | 分立/模塊
600 V 至 1200 V | 分立
600 V 至 900 V |

表 2：WBG 材料在混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的應(yīng)用，以及與硅的性能比較。

鐵路運(yùn)輸

電動(dòng)火車通過懸鏈線或第三軌從電網(wǎng)獲取電力，并將其轉(zhuǎn)換為適合電機(jī)和輔助系統(tǒng)使用的形式。如果火車使用交流線路供電，變壓器和整流器必須將電壓降低并調(diào)節(jié)為直流。然后，直流電壓被分離并通過逆變器輸送，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)化為交流電（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，轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為運(yùn)行雙向電流。而輔助逆變器為冷卻系統(tǒng)、乘客舒適設(shè)施及其他與運(yùn)動(dòng)無關(guān)的需求提供電力。

牽引逆變器內(nèi)電力電子設(shè)備的大小取決于列車的類型：

• 軌道交通列車：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

然而，大多數(shù)列車使用 3.3 kV 或 1.7 kV 的電力設(shè)備。

再生制動(dòng)可將部分電力返回到本地電網(wǎng)、鐵路配電系統(tǒng)或儲(chǔ)能系統(tǒng)，這使得系統(tǒng)比前述應(yīng)用中的系統(tǒng)更為復(fù)雜。再生的能量必須立即儲(chǔ)存或使用，否則就會(huì)損失。

傳統(tǒng)上用于鐵路牽引應(yīng)用的電源模塊的雙極硅基 IGBT 和續(xù)流二極管可以替換為單極 SiC MOSFET 和二極管，從而提高開關(guān)頻率和功率密度。

為了減少鐵路牽引應(yīng)用中使用的電力電子設(shè)備的重量和體積，必須減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，并提高最高結(jié)溫。對于廣泛使用的雙極硅功率器件，增加傳導(dǎo)損耗和減少開關(guān)損耗的效果相反。單極器件不像雙極器件那樣需要在傳導(dǎo)和開關(guān)損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。因此，它可在減少開關(guān)損耗的同時(shí)最大限度地減少傳導(dǎo)損耗。

使用 WBG 電力電子器件，可以顯著減少電氣軌道的功率損耗。因此，使用的電網(wǎng)電能將減少，而通過再生制動(dòng)返回的電能將增加。除提高效率外，WBG 器件還具備其他優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)殍F路運(yùn)輸帶來很大幫助，例如：

• 減輕了重量，從而顯著影響效率
• 工作溫度更高，允許使用更小的冷卻系統(tǒng)
• 提高了開關(guān)頻率，可以減少無源器件尺寸，從而降低牽引和輔助逆變器的重量。得益于更高的開關(guān)頻率，逆變器和電機(jī)可以更快速地響應(yīng)需求的變化，從而提高效率。最后，由于在較高頻率下工作聲音較小，而且冷卻風(fēng)扇可以關(guān)閉，因此當(dāng)火車行駛時(shí)，火車站的噪音更小。

海洋和航空應(yīng)用

長期以來，電力電子技術(shù)的創(chuàng)新已經(jīng)使海洋產(chǎn)業(yè)受益。在輪船上，由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生中壓交流電，用于驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。這些負(fù)載主要包括推進(jìn)裝置（混合使用 AC-DC 和 DC-AC 轉(zhuǎn)換器）以及其他一些負(fù)載。

海洋產(chǎn)業(yè)的最新趨勢是試圖用直流配電網(wǎng)取代交流配電網(wǎng)。這種解決方案讓發(fā)電機(jī)無需與交流配電同步，而只需在可變速度下運(yùn)行，并且實(shí)現(xiàn)了燃料的節(jié)約。另一方面，它需要在交流發(fā)電機(jī)和直流配電網(wǎng)之間引入整流器電路（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，必須有極高的運(yùn)行可靠性。它們的額定功率通常從幾瓦到幾十兆瓦不等。通常情況下，這些驅(qū)動(dòng)器是采用交流配電網(wǎng)的船舶中最重要的電源轉(zhuǎn)換模塊。因此，它們的高效工作至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的硅基功率器件再一次被 SiC 和 GaN 器件取代，后者在提高效率的同時(shí)，還能減小尺寸和重量。WBG 器件將很快取代硅基器件成為行業(yè)主流，帶來硅技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)電力電子系統(tǒng)解決方案。

未來由燃料渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)將成為混合動(dòng)力和全電動(dòng)航空推進(jìn)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?。隨后將使用電力電子器件來連接發(fā)電機(jī)和電機(jī)。為了確保提供足夠的電力，必須使用高壓直流母線。這些目前的電壓范圍各不相同，從輕型車輛上的幾千伏到飛機(jī)上的中壓范圍。此外，高壓直流母線讓我們能夠使用永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，這樣可以降低無功功率以及電力電子器件的額定值。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速快，電源轉(zhuǎn)換器需要能夠在高開關(guān)頻率下運(yùn)行的設(shè)備，這就導(dǎo)致濾波器元件體積更小、重量更輕。

碳化硅是最有前景的半導(dǎo)體器件，在滿足所有要求的同時(shí)，還能確保高轉(zhuǎn)換效率。對于低功率范圍的飛機(jī)，新開發(fā)的 3.3 kV 和 6.5 kV SiC MOSFET 器件具有重要的意義。這些器件還可在模塊化電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用，以滿足大型飛機(jī)的更高電壓/功率要求。

總結(jié)

與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，寬帶隙半導(dǎo)體，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，在處理高電壓和高溫度的能力和降低功率損耗方面具備諸多優(yōu)勢。這些特性使它們特別適合用于交通運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用中的電力電子設(shè)備。

WBG 半導(dǎo)體在運(yùn)輸業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，以開發(fā)更高效和更可靠的電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車。寬帶隙半導(dǎo)體的功率損耗較低，可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，降低電力電子設(shè)備的尺寸和重量。這反過來又能使車輛續(xù)航里程增加，充電速度加快，整體性能提高。

寬帶隙半導(dǎo)體還讓我們能夠開發(fā)更加緊湊和高效的動(dòng)力系統(tǒng)，包括電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和逆變器。通過減少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)汽車和混合動(dòng)力汽車之外，寬帶隙半導(dǎo)體還被用于其他運(yùn)輸方式，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)行成本，提高安全性。