Halvledare med brett bandgap omformar transportvärlden

Hela transportsektorn genomgår en radikal omvandling, där fordon med förbränningsmotor gradvis ger plats åt mindre förorenande el- och hybridbilar och renare kollektivtransportlösningar (tåg, flygplan och fartyg). Lösningar som kan maximera effektiviteten och minska miljöpåverkan behövs för att begränsa utsläppen av växthusgaser och mildra den globala uppvärmningen.

Halvledare med brett bandgap (WBG) har flera egenskaper som gör dem attraktiva i transporttillämpningar. Deras användning kan leda till effektivare, snabbare och lättare fordon med större räckvidd och minskad miljöpåverkan.

Egenskaper hos material med brett bandgap

Material med brett bandgap håller snabbt på att förändra området kraftelektronik tack vare dess fördelar jämfört med vanligt kisel (Si). Medan kisel har ett bandgap på 1,1 eV har WBG-material ett bandgap på 2 till 4 eV. Dessutom är det elektriska nedbrytningsfältet för de flesta WBG-halvledare betydligt högre än för kisel. Det innebär att de kan arbeta vid betydligt högre temperaturer och spänningar, vilket ger högre effektnivåer och lägre förluster. I tabell 1 anges de viktigaste egenskaperna hos kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN), de två mest populära WBG-materialen, jämfört med kisel.

Tabell 1: Jämförelse av egenskaperna hos kisel, kiselkarbid och galliumnitrid.

De viktigaste fördelarna med kraftenheter av kiselkarbid, jämfört med kiselbaserade motsvarigheter, är följande:

• Låga switchningsförluster: MOSFET:ar av kiselkarbid är unipolära enheter som uppvisar mycket låga switchningförluster vid tillslag och avstängning. Denna egenskap möjliggör högre switchningsfrekvenser med lägre förluster, vilket gör det möjligt att minska antalet passiva och magnetiska komponenter.
• Låga ledningsförluster: Eftersom det inte finns någon bipolär övergång kan enheter av kiselkarbid också minska förlusterna vid lätt belastning eller delbelastning.
• Höga driftstemperaturer: kiselkarbid har överlägsna termiska egenskaper jämfört med kisel. Kiselkarbid uppvisar låga läckströmmar i ett brett temperaturintervall, vilket gör det möjligt att använda dem vid mer än 200 °C. Förenklad kylning och utmärkt värmehantering är en följd av denna egenskap.
• Inbyggd skyddsdiod: tack vare denna egenskap kan MOSFET:ar av kiselkarbid fungera i diodläge i den tredje kvadranten, vilket ger utmärkt prestanda i krafttillämpningar.

Genom att kombinera ovanstående egenskaper kan man få enheter av kiselkarbid med högre effekttäthet, effektivitet, operativa frekvenser och mindre format.

De viktigaste fördelarna med GaN-effektenheter jämfört med sina motsvarigheter av kisel och kiselkarbid:

• Enheter av galliumnitrid kan arbeta i den tredje kvadranten utan omvänd återhämtningsladdning även om de inte har någon inbyggd skyddsdiod. Därför behövs ingen antiparallelldiod.

• Låg gateladdning Q_G och låg på-resistans R_DS(ON), som ger lägre drivförluster och snabbare switchningshastigheter.
• Ingen återhämtning i omvänd riktning, vilket ger lägre switchningsförluster och mindre EMI-brus.
• Hög dv/dt: galliumnitrid kan switcha vid mycket höga frekvenser och har 4x snabbare tillslag och 2x snabbare frånslag än MOSFET:ar av kiselkarbid med liknande R_DS(ON).

Tillämpningar för WBG-anordningar

Som framgår av figur 1 finns det tillämpningar där kiselkarbid och galliumnitrid ger bäst prestanda och andra där deras egenskaper överlappar kiselns. Ofta är enheter av galliumnitrid det bästa valet för högfrekvenstillämpningar, medan enheter av kiselkarbid har stor potential vid höga spänningar.

Figur 1: Potentiella tillämpningar av enheter av kisel, kiselkarbid och galliumnitrid. (Källa: Infineon)

Hybrid- och elfordon

Hybrid-/elfordon använder flera kraftelektroniska system för att omvandla nät- eller motorenergi till en form som lämpar sig för att driva motor och extrautrustning. De flesta hybrid-/elfordon använder också regenerativ bromsning, där hjulen roterar generatorn för att ladda batteriet.

Växelriktaren för drivning är en viktig komponent i dessa fordon som omvandlar DC-högspänning från batterierna till AC för att driva trefasmotorn (se figur 2). På grund av den höga effekten är enheter av kiselkarbid att föredra i denna tillämpning, med en nominell effekt på 650 V eller 1,2 kV, beroende på växelriktarens topologi. Kiselkarbid bidrar till att minska förluster, storlek och vikt, vilket möjliggör lösningar med litet format.

Figur 2: Huvudkomponenterna i en hybrid-/elfordon. (Källa: ROHM Semiconductor)

Den inbyggda laddaren (OBC) ansluts till nätet och omvandlar växelspänning till likspänning för att ladda batteriet. Den inbyggda laddarens uteffekt är vanligtvis mellan 3,3 kW och 22 kW och är beroende av högspänningsenheter (600 V och högre). Även om både kiselkarbid och galliumnitrid är lämpliga för den här tillämpningen gör galliumnitridens egenskaper, som hög switchningsfrekvens, låga ledningsförluster och minskad vikt och storlek, det till den perfekta lösningen för att implementera OBC:er.

Ett annat användningsområde för WBG i hybrid-/elfordon är DC-DC-omvandlaren för lågspänning, som ansvarar för att transformera ner batterispänningen (200 V i Hybrid-/elfordon, över 400 V i elfordon) till den 12 V/48 V likspänning som krävs för att driva hjälpsystemen. Lågspänningsomvandlaren har en typisk effekt på mindre än 1 kW och kan uppnå högre frekvenser med hjälp av enheter av galliumnitrid och kiselkarbid.

I tabell 2 sammanfattas hur kisel, kiselkarbid och galliumnitrid uppfyller kraven för de tidigare nämnda hybrid-/elfordonstillämpningarna.

Tabell 2: Tillämpningar med WBG i hybrid-/elfordon och jämförelse av prestanda med kisel.

Järnvägstransporter

Elektriska tåg hämtar ström från nätet via en luftledning eller en tredje räls och omvandlar den till en form som är lämplig för motorerna och hjälpsystemen. Om tåget körs på en växelströmsledning måste en transformator och en likriktare transformera ner och omvandla spänningen till likström. Likspänningen delas sedan upp och levereras via växelriktare för att tillgodose behoven hos hjälp- och drivsystemen.

Växelriktaren för drivning omvandlar likström till växelström för att driva motorerna och omvandlar den el som produceras genom regenerativ bromsning. Därför är den här växelriktaren konstruerad för att driva ett dubbelriktat energiflöde. Den extra växelriktaren levererar i stället ström till kylsystem, passagerarkomfort och andra behov som inte har med rörelse att göra.

Storleken på kraftelektroniken i växelriktaren för drivning beror på tågklassen:

• Fjärrtåg: 1,2 till 2,5 kV.
• Pendeltåg: 1,7 till 3,3 kV.
• Intercitytåg: över 3,3 kV.

De flesta tåg använder dock antingen 3,3 eller 1,7 kV.

Regenerativ bromsning, som återför en del av elektriciteten till det lokala nätet, järnvägsnätet eller energilagringen, gör systemet mer komplicerat än i de tidigare nämnda tillämpningarna. Regenererad energi måste lagras eller användas omedelbart, annars går den förlorad.

Bipolära kiselbaserade IGBT:er och backriktade dioder, som traditionellt används i kraftmoduler för järnvägsdrift, kan ersättas med unipolära MOSFET:ar och dioder av kiselkarbid, vilket ökar switchningsfrekvensen och effekttätheten.

Lednings- och kopplingsförlusterna måste minskas och den maximala temperaturen vid övergången måste höjas för att minska vikten och volymen på den kraftelektroniska utrustning som används i drivningstillämpningar för järnvägar. För de allmänt använda bipolära kraftenheterna av kisel, har ökade ledningsförluster och minskade kopplingsförluster motsatt effekt. En unipolär anordning har inte samma kompromiss mellan lednings- och switchningsförluster som bipolära anordningar. Detta medför att switchningsförlusterna minskas samtidigt som ledningsförlusterna minimeras.

Effektförlusterna i den elektriska rälsen kan minskas drastiskt med WBG-kraftelektronik. Det medför att mindre energi tas ut från nätet och mer energi återförs via regenerativ bromsning. WBG-enheter har även ytterligare fördelar som avsevärt underlättar järnvägstransporter utöver ökningar av verkningsgraden, som t.ex:

• Minskad vikt har en betydande inverkan på verkningsgraden
• Högre driftstemperatur gör det möjligt att använda ett mindre kylsystem
• Den ökade switchningsfrekvensen möjliggör mindre passiva mått, vilket minskar vikten på växelriktarna för drivning och de extra växelriktarna. Växelriktaren och motorn kan reagera snabbare på variationer i efterfrågan tack vare den högre switchningsfrekvensen, vilket ökar verkningsgraden. Eftersom den högre frekvensen är mindre hörbar och kylfläktarna kan stängas av, skulle järnvägsstationer vara mindre bullriga när det finns tåg på plats.

Tillämpningar inom sjö- och luftfart

Innovationer inom kraftelektronik har länge varit till nytta inom den marina sektorn. På fartyget levereras växelström på medelspänningsnivå från synkrona generatorer som drivs av dieselmotorer till olika belastningar. Drivenheter (en blandning av AC-DC- och DC-AC-omvandlare) och andra belastningar är de viktigaste av dem.

De senaste trenderna inom sjöfartssektorn går ut på att ersätta växelströmsnät med likströmsnät. Den här lösningen gör att generatorerna inte behöver synkroniseras med växelströmsdistributionen, förutsatt att de kan arbeta med variabla hastigheter, och den sparar bränsle. Å andra sidan krävs det likriktningskretsar (AC-DC-omvandlare) mellan växelströmsgeneratorer och DC-distributionsnätet.

Drivsystem med variabelt varvtal för fartygsdrift är viktiga fartygskomponenter som måste fungera extremt tillförlitligt. De är ofta dimensionerade från några få watt till några tiotals megawatt. Dessa enheter är ofta de viktigaste kraftomvandlingsblocken på ett fartyg med växelströmsdistribution. Därför är deras stora verkningsgrad avgörande.

Ännu en gång ersätts konventionella kiselbaserade kraftkomponenter av enheter av kiselkarbid och galliumnitrid, som ökar verkningsgraden och minskar storlek och vikt. WBG-enheter kommer snart att gå om kiselbaserade enheter som branschledare och erbjuda banbrytande systemlösningar för kraftelektronik som är omöjliga med kiselteknik.

Framtida bränsleturbindrivna elgeneratorer kommer att vara den främsta drivkraften för hybrida och helt elektriska framdrivningssystem inom luftfarten. Kraftelektronik kommer sedan att användas för att koppla ihop generatorn och motorn. Mycket höga likspänningsbussar är nödvändiga för att garantera att tillräckligt med kraft finns tillgänglig. Spänningen i dessa bussar kan variera från några kV för lätta fordon till MV för flygplan. En buss med hög likspänning gör det dessutom möjligt att använda synkrona maskiner med permanentmagneter som generatorer, vilket sänker den reaktiva effekten och kraftelektronikens effekt. Kraftomvandlarna behöver utrustning som kan fungera vid höga switchningsfrekvenser tack vare generatorns höga varvtal, vilket resulterar i mindre och lättare filterelement.

Kiselkarbid är den mest lovande halvledarkomponenten för att uppfylla alla krav och samtidigt garantera hög verkningsgrad i omvandlingen. För flygplan i det lägre effektområdet är nytillverkade MOSFET-enheter av kiselkarbid på 3,3 och 6,5 kV av stort intresse. De kan även användas i modulära kraftomvandlingstopologier för att uppfylla större flygplans krav på högre spänning och effekt.

Sammanfattning

Halvledare med brett bandgap, t.ex. kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN), erbjuder flera fördelar jämfört med traditionella halvledare, eftersom de klarar höga spänningar och temperaturer med lägre effektförlust. Dessa egenskaper gör dem väldigt lämpade för kraftelektronik som används i olika tillämpningar, inklusive inom transportsektorn.

WBG-halvledare används inom transportindustrin för att utveckla effektivare och mer tillförlitliga el- och hybridfordon. Den lägre effektförlusten hos halvledare med brett bandgap möjliggör högre switchningsfrekvenser, vilket minskar kraftelektronikens storlek och vikt. Detta medför i sin tur större räckvidd för fordonet, snabbare laddningstider och bättre prestanda.

Halvledare med brett bandgap gör det även möjligt att utveckla mer kompakta och effektiva drivlinor, inklusive motordrivenheter och växelriktare för elfordon och hybrid-/elfordon. Genom att minska storleken och vikten på dessa komponenter kan fordonsdesignen frigöra utrymme för andra komponenter eller förbättra fordonets generella aerodynamik.

Förutom i el- och hybridfordon används halvledare med brett bandgap även i andra transportmedel, t.ex. flygplan och tåg. I dessa tillämpningar kan halvledare med brett bandgap, som klarar hög temperatur och hög spänning, förbättra effektiviteten och tillförlitligheten hos kraftelektronik, vilket leder till minskade driftskostnader och förbättrad säkerhet.