Polovodiče se širokým zakázaným pásmem přetvářejí svět dopravy

Celé odvětví dopravy prochází radikální proměnou, kdy vozidla se spalovacími motory postupně ustupují méně znečišťujícím elektrickým a hybridním automobilům a čistším řešením hromadné dopravy (vlaky, letadla a lodě). K omezení emisí skleníkových plynů a zmírnění globálního oteplování jsou zapotřebí řešení schopná maximalizovat účinnost a snížit dopad na životní prostředí.

Polovodiče se širokým zakázaným pásmem (wide bandgap, WBG) vynikají několika vlastnostmi, díky nimž jsou atraktivní pro použití v dopravě. Jejich použití může vést k efektivnějším, rychlejším a lehčím vozidlům s lepším dojezdem a menším dopadem na životní prostředí.

Vlastnosti materiálů WBG

Materiály se širokým zakázaným pásmem rychle mění oblast výkonové elektroniky díky svým výhodám oproti běžně používanému křemíku (Si). Zatímco křemík má zakázané pásmo 1,1 elektronvoltu (eV), materiály WBG mají zakázané pásmo 2 až 4 eV. Kromě toho je průrazné elektrické pole většiny polovodičů WBG podstatně vyšší než u křemíku. To znamená, že mohou pracovat při podstatně vyšších teplotách a napětích, což umožňuje vyšší výkon a nižší ztráty. Tabulka 1 uvádí hlavní vlastnosti karbidu křemíku (SiC) a nitridu galia (GaN), dvou nejoblíbenějších materiálů WBG, ve srovnání s křemíkem.

Tabulka 1: Porovnání vlastností Si, SiC a GaN.

Hlavní výhody energetických zařízení ze SiC oproti zařízením na bázi křemíku jsou:

• Nízké spínací ztráty: SiC MOSFET jsou unipolární zařízení, která mají velmi nízké spínací ztráty při zapnutí a vypnutí. Tato vlastnost umožňuje vyšší spínací frekvence při nižších ztrátách, což umožňuje snížit počet pasivních součástek a oddělovacích transformátorů.
• Nízké přenosové ztráty: díky absenci bipolárního přechodu mohou zařízení SiC snížit ztráty i při provozu s malým nebo částečným zatížením.
• Vysoké provozní teploty: karbid křemíku nabízí ve srovnání s křemíkem lepší tepelné vlastnosti. SiC vykazuje nízké svodové proudy v širokém rozsahu teplot, což umožňuje provoz nad 200 °C. Důsledkem této vlastnosti je zjednodušené chlazení a vynikající regulace tepla.
• Vnitřní dioda: díky této charakteristice mohou zařízení SiC MOSFET pracovat v diodovém režimu ve třetím kvadrantu, což poskytuje vynikající výkon ve výkonových aplikacích.

Kombinace výše uvedených vlastností umožňuje získat zařízení SiC s vyšší výkonovou hustotou, účinností, provozními frekvencemi a menšími rozměry.

Hlavní výhody energetických zařízení z GaN oproti zařízením na bázi Si a SiC jsou:

• Zařízení z GaN mohou pracovat ve třetím kvadrantu komutačního náboje, i když nemají vnitřní diodu. Díky tomu není potřeba antiparalelní dioda.

• Nízký náboj hradla Q_G a zapínací odpor R_DS(ON), které se projevují nižšími ztrátami při řízení a rychlejším spínáním.
• Nulová zpětná rekuperace, což vede k nižším spínacím ztrátám a menšímu rušení EMI
• Vysoká hodnota dv/dt: GaN může spínat při velmi vysokých frekvencích a má 4x rychlejší zapnutí a 2x rychlejší vypnutí než zařízení SiC MOSFET s podobnými hodnotami R_DS(ON)

Aplikace zařízení WBG

Jak je zvýrazněno na obrázku 1, existují aplikace, kde prvky ze SiC a GaN nabízejí nejlepší výkon, a jiné, kde se jejich vlastnosti překrývají s vlastnostmi křemíku. Zařízení z GaN jsou často nejlepší volbou pro vysokofrekvenční aplikace, zatímco zařízení z SiC mají vysoký potenciál při vysokých napětích.

Obrázek 1: Potenciální aplikace zařízení z Si, SiC a GaN (Zdroj: Infineon)

Hybridní a elektrická vozidla

H/EV využívají několik systémů výkonové elektroniky k transformaci energie sítě nebo motoru do formy vhodné pro napájení motoru a pomocných zařízení. Většina H/EV také používá rekuperační brzdění, při kterém kola otáčejí generátor a tím se nabíjí baterie.

Klíčovou součástí těchto vozidel je trakční střídač, který převádí stejnosměrné vysoké napětí z baterií na střídavé pro napájení třífázového motoru (viz obrázek 2). Vzhledem k vysokému výkonu se v této aplikaci upřednostňují zařízení z SiC se jmenovitým napětím 650 V nebo 1,2 kV v závislosti na topologii střídače. SiC pomáhá snižovat ztráty, velikost a hmotnost, což umožňuje řešení s malými rozměry.

Obrázek 2: Hlavní součásti H/EV (Zdroj: ROHM Semiconductor)

Palubní nabíječka (OBC) se připojuje k síti a převádí střídavé napětí na stejnosměrné pro nabíjení baterie. Výstupní výkon OBC je obvykle 3,3 kW až 22 kW a závisí na vysokonapěťových (600 V a více) napájecích zařízeních. Zatímco SiC i GaN jsou pro tuto aplikaci vhodné, GaN je díky svým vlastnostem, např. vysoké spínací frekvenci, nízkým přenosovým ztrátám a nižší hmotnosti a rozměrům, ideálním řešením pro OBC.

Další aplikací WBG v H/EV je nízkonapěťový (NN) měnič DC-DC, který je dokáže snížit napětí baterie (na 200 V u HEV, nad 400 V u EV) na požadované stejnosměrné napětí 12 V / 48 V DC pro napájení pomocných systémů. S typickým výkonem do 1 kW může NN měnič dosahovat vyšších frekvencí pomocí zařízení GaN a SiC.

Tabulka 2 uvádí přehled, jak Si, SiC a GaN splňují požadavky výše uvedených aplikací H/EV.

Tabulka 2: Použití WBG v H/EV a srovnání výkonu s Si

Železniční doprava

Elektrické vlaky odebírají energii ze sítě prostřednictvím trakčního vedení nebo třetí kolejnice a převádějí ji do podoby vhodné pro motory a pomocné systémy. Pokud je vlak provozován na střídavém vedení, musí transformátor a usměrňovač snížit a upravit napětí na stejnosměrné. Stejnosměrné napětí se pak rozdělí a přivádí přes střídače pro potřeby pomocných a trakčních systémů.

Trakční střídač přeměňuje stejnosměrný proud na střídavý pro napájení motorů a upravuje elektřinu vyrobenou rekuperačním brzděním. Proto je tento měnič navržen pro obousměrný tok energie. Pomocný střídač naopak dodává energii pro chladicí systémy, pohodlí cestujících a další potřeby nesouvisející s pohybem.

Rozměry výkonové elektroniky v trakčním střídači závisí na třídě vlaku:

• Tranzitní vlaky: 1,2 kV až 2,5 kV
• Příměstské vlaky: 1,7 kV až 3,3 kV
• Meziměstské vlaky: nad 3,3 kV

Většina vlaků však používá buď 3,3 kV, nebo 1,7 kV.

S rekuperačním brzděním, které vrací část elektřiny do místní sítě, železniční distribuční soustavy nebo akumulátorů, je systém komplikovanější než u dříve uvedených aplikací. Rekuperovaná energie musí být okamžitě uložena nebo využita, jinak se ztrácí.

Bipolární IGBT na bázi Si a volnoběžné diody, tradičně používané ve výkonových modulech pro železniční trakční aplikace, lze nahradit unipolárními prvky a diodami na bázi SiC MOSFET, čímž se zvýší spínací frekvence a výkonová hustota.

Je třeba snížit přenosové a spínací ztráty a zvýšit maximální teplotu spoje, aby se snížila hmotnost a objem výkonových elektronických zařízení používaných v železniční trakční technice. U široce používaných bipolárních křemíkových napájecích zařízení mají zvyšující se přenosové ztráty a snižující se spínací ztráty opačné účinky. U unipolárního zařízení nedochází ke kompromisu mezi přenosovými a spínacími ztrátami jako u bipolárních zařízení. V důsledku toho lze snížit spínací ztráty a zároveň minimalizovat přenosové ztráty.

Výkonové ztráty v elektrické kolejnici lze pomocí výkonové elektroniky WBG výrazně snížit. V důsledku toho se bude ze sítě odebírat méně energie a více se jí bude vracet rekuperačním brzděním. Zařízení WBG nabízejí kromě zvýšení efektivity i další výhody, které výrazně pomáhají železniční dopravě, jako například:

• Nižší hmotnost má významný vliv na účinnost.
• Vyšší provozní teplota umožňuje použití menšího chladicího systému.
• Vyšší spínací frekvence umožňuje menší pasivní rozměry, což snižuje hmotnost trakčních a pomocných střídačů. Střídač a motor mohou rychleji reagovat na změny nároků díky vyšší spínací frekvenci, čímž se zvyšuje účinnost. A protože vyšší frekvence je méně hlučná a chladicí ventilátory je možné vypnout, na nádražích by bylo po příjezdu vlaku méně hluku.

Použití v námořní a letecké dopravě

Inovace v oblasti výkonové elektroniky jsou pro námořní sektor přínosem již dlouhou dobu. Na lodi se elektrická energie středního napětí na úrovni střídavého proudu ze synchronních generátorů poháněných dieselovými motory přivádí do různých zátěží. Mezi ně patří především pohonné jednotky (různé AC/DC a DC/AC převodníky) a další zátěže.

Nejnovější trendy v námořním sektoru se snaží nahradit střídavé elektrické rozvodné sítě stejnosměrnými rozvodnými sítěmi. Toto řešení odstraňuje nutnost synchronizace generátorů s rozvodem střídavého proudu, pokud mohou pracovat s proměnnými otáčkami, a dosahuje úspory paliva. Na druhou stranu vyžaduje zavedení usměrňovacích obvodů (AC/DC převodníků) mezi generátory střídavého proudu a stejnosměrnou rozvodnou sítí.

Pohony lodních motorů s proměnnými otáčkami jsou zásadní součásti lodí, které musí pracovat mimořádně spolehlivě. Jejich výkon se často pohybuje od několika wattů až po několik desítek megawattů. Tyto pohony jsou často nejvýznamnějšími bloky pro přeměnu energie na lodi s rozvodem střídavého elektrického proudu. Jejich vysoká účinnost je proto rozhodující.

Konvenční výkonová zařízení na bázi křemíku jsou opět nahrazována zařízeními z SiC a GaN, která zvyšují účinnost a zároveň snižují rozměry a hmotnost. Zařízení WBG brzy předstihnou zařízení na bázi Si a přinesou špičková systémová řešení výkonové elektroniky, která jsou s křemíkovou technologií nemožná.

Budoucí elektrické generátory poháněné palivovými turbínami budou hlavním pohonem hybridních a celoelektrických pohonných systémů letadel. K propojení generátoru a motoru následně zajistí výkonová elektronika. Pro zajištění dostatečného výkonu jsou nezbytné sběrnice s velmi vysokým stejnosměrným napětím. Tyto sběrnice mohou mít napětí od několika kV pro lehká vozidla až po napětí v řádu MV pro letadla. Vysokonapěťová sběrnice stejnosměrného napětí navíc umožňuje používat jako generátory synchronní stroje s permanentními magnety, což snižuje jalový výkon a výkon výkonové elektroniky. Výkonové měniče potřebují zařízení, která mohou fungovat při vysokých spínacích frekvencích díky vysoké rychlosti otáčení generátorů, což má za následek menší a lehčí filtrační prvky.

Karbid křemíku je nejslibnější polovodičové zařízení, které splňuje všechny požadavky a zároveň zajišťuje vysokou účinnost konverze. Pro letadla v nižším výkonovém rozpětí jsou velmi zajímavá nově vyvinutá zařízení SiC MOSFET 3,3 kV a 6,5 kV. Také je lze využít v modulárních topologiích výkonových měničů pro splnění vyšších požadavků na napětí/výkon větších letadel.

Závěr

Polovodiče se širokým zakázaným pásmem, např. karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN), nabízejí oproti tradičním polovodičům několik výhod díky své schopnosti zvládat vysoká napětí a teploty s nižšími ztrátami energie. Díky těmto vlastnostem jsou obzvláště vhodné pro výkonovou elektroniku používanou v různých aplikacích včetně dopravy.

Polovodiče WBG se používají v dopravním průmyslu k vývoji účinnějších a spolehlivějších elektrických a hybridních vozidel. Nižší výkonové ztráty polovodičů se širokým zakázaným pásmem umožňují vyšší spínací frekvence, což snižuje rozměry a hmotnost výkonové elektroniky. Tím se naopak prodlouží dojezd vozidla, zrychlí nabíjení a zvýší celkový výkon.

Polovodiče se širokým zakázaným pásmem dále umožňují vývoj kompaktnějších a účinnějších pohonných jednotek, včetně motorových pohonů a střídačů pro EV a HEV. Snížením rozměrů a hmotnosti těchto komponentů mohou konstruktéři vozidel uvolnit místo pro jiné komponenty nebo zlepšit celkovou aerodynamiku vozidla.

Kromě elektrických a hybridních elektrických vozidel se polovodiče se širokým zakázaným pásmem používají také v jiných formách dopravy, například v letadlech a vlacích. V těchto aplikacích mohou vysokoteplotní a vysokonapěťové schopnosti polovodičů se širokým zakázaným pásmem zlepšit účinnost a spolehlivost výkonové elektroniky, což vede ke snížení provozních nákladů a zvýšení bezpečnosti.