宽带隙半导体重塑交通运输行业

作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 北美编辑

整个交通运输行业正在经历一场彻底的变革，内燃机 (ICE) 汽车逐渐让位于污染更少的电动汽车和混合动力汽车，以及更清洁的公共交通解决方案（火车、飞机和轮船）。为了控制温室气体 (GHG) 排放并减缓全球变暖，我们需要既能最大限度提高效率，又能减少环境影响的解决方案。

宽带隙 (WBG) 半导体具备多种特性，使得其对交通运输应用具有很大吸引力。使用这些半导体可以打造更高效、更快速、更轻巧的汽车，增加续航里程，减少环境影响。

WBG 材料的特性

由于宽带隙材料比常用的硅 (Si) 更具优势，它们正在迅速改变电力电子器件市场。硅的带隙为 1.1 eV，而 WBG 材料的带隙为 2 至 4 eV。此外，大多数 WBG 半导体的击穿电场远高于硅。这意味着它们能够在更高的温度和电压下工作，从而提供更高的功率水平和更低的损耗。表 1 列出了碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 这两种最流行的 WBG 材料与硅相比的主要特性。

| | 特性 | SI | SIC | GAN |
| ------------------------ | ------------- | --------------- | --------------- |
| 带隙能量 (eV) | 1.1 | 3.2 | 3.4 |
| 击穿电场 (MV/cm²) | 0.3 | 3.5 | 3.3 |
| 电子迁移率 (cm²/V∙s) | 1500 | 900 | 900-2000 |
| 电子饱和速度 (cm/s) | 1 ∙ 10^7^ | 2.2 ∙ 10^7^ | 2.5 ∙ 10^7^ |
| 导热率 (W/cm∙K) | 1.5 | 5.0 | 1.3 |
| 介电常数 | 11.8 | 10 | 8.9 |

表 1：硅、SiC 和 GaN 的特性比较。

与硅基同类产品相比，[SiC 功率器件]的主要优势如下：

• 低开关损耗：SiC MOSFET 是单极器件，具有非常低的导通和关断开关损耗。这种特性可以实现更高的开关频率和更低的损耗，从而减少无源元器件和磁体
• 低传导损耗：由于没有双极结，SiC 器件还可以减少轻载或部分负载运行时的损耗
• 高工作温度：与硅相比，碳化硅具有优良的热性能。SiC 在广泛的温度范围内表现出低漏电流，允许工作温度超过 200°C。这一特性使得其可以采用简化的冷却方案并实现出色的热管理
• 本征体二极管：得益于这种特性，SiC MOSFET 可以在第三象限的二极管模式下工作，从而在电源应用中提供出色的性能

结合上述特性，就可以得到具有更高功率密度、效率、工作频率和更紧凑外形的 SiC 器件。

与基于硅和 SiC 的同类产品相比，[GaN 功率器件]的主要优势如下：

• 即便没有本征体二极管，GaN 器件也能工作在第三象限，而不产生反向恢复电荷。因此没有必要使用反并联二极管
• 较低的栅极电荷 QG 和导通电阻 R DS(ON) ，可以转化为更低的驱动损耗和更快的开关速率
• 零反向恢复，可降低开关损耗并减少 EMI 噪声
• 高 dv/dt：GaN 器件可在很高的频率下开关，与具有相近 RDS(ON) 的 SiC MOSFET 相比，导通速度快 3 倍，关断速度快 1 倍

WBG 器件的应用

正如图 1 所重点强调的，在某些应用中，SiC 和 GaN 器件提供最好的性能，而在其他应用中，它们的特性与硅器件相仿。通常，GaN 器件是高频应用的最佳选择，而 SiC 器件在高压应用中具有很高的潜力。

图 1：硅、SiC 和 GaN 器件的潜在应用。（来源：[Infineon]）

混合动力和电动汽车

混合动力汽车/电动汽车 (H/EV) 使用多个电力电子系统，将电网或发动机的能量转化为适合为电机和辅助设备供电的形式。大多数混合动力汽车/电动汽车还使用再生制动，通过车轮带动发电机转动，为电池充电。

牵引逆变器是这些车辆的关键部件，将来自电池的直流高压转换为交流电，为三相电机供电（参见图 2）。由于涉及到高功率，SiC 器件是此类应用的首选，其额定电压为 650V 或 1.2kV，具体取决于逆变器的拓扑结构。SiC 有助于减少损耗、尺寸和重量，支持小尺寸解决方案。

图 2：混合动力汽车/电动汽车的主要部件。（来源：[ROHM Semiconductor]）

车载充电器 (OBC) 连接到电网，将交流转换为直流电压，为电池充电。OBC 的输出功率通常介于 3.3 kW 到 22 kW 之间，并依赖于高压（600 V 以上）功率器件。虽然 SiC 和 GaN 都适合这种应用，但 GaN 器件的特性，如高开关频率、低传导损耗、更小的重量和尺寸，使其成为实现 OBC 的理想解决方案。

WBG 在混合动力汽车/电动汽车领域的另一个应用是低压 (LV) DC-DC 转换器，负责将电池电压（混合动力汽车为 200V，电动汽车为 400V 以上）降至为辅助系统供电所需的 12V/48V 直流电压。该低压转换器的典型功率小于 1 kW，可使用 GaN 和 SiC 器件实现更高的频率。

表 2 总结了硅、SiC 和 GaN 器件如何满足前面提到的混合动力汽车/电动汽车应用的要求。

| | 类型 | 车载充电器 | 逆变器和高压转换器 | 低压转换器 |
| ------------ | --------------------- | --------------------------- | --------------------- |
| 功率 | 3.3 kV > | 12 kW 至 400 kW | 1 kW 至 10 kW |
| 输入电压 | 120 V 至 240 V | 200 V 至 400 V | 200 V 至 400 V |
| 输出电压 | 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% | 不适用 | 95% 至 99% |
| 功率器件 | 分立
600 V 至 900 V | 分立/模块
600 V 至 1200 V | 分立
600 V 至 900 V |

表 2：WBG 材料在混合动力汽车/电动汽车中的应用，以及与硅的性能比较。

铁路运输

电动火车通过悬链线或第三轨从电网获取电力，并将其转换为适合电机和辅助系统使用的形式。如果火车使用交流线路供电，变压器和整流器必须将电压降低并调节为直流。然后，直流电压被分离并通过逆变器输送，以满足辅助和牵引系统的需求。

牵引逆变器将直流电转化为交流电（为电机供电），并重新调节再生制动产生的电力。因此，转换器被设计为运行双向电流。而辅助逆变器为冷却系统、乘客舒适设施及其他与运动无关的需求提供电力。

牵引逆变器内电力电子设备的大小取决于列车的类型：

• 轨道交通列车：1.2 kV 至 2.5 kV
• 通勤列车：1.7 kV 至 3.3 kV
• 城际列车：3.3 kV 以上

然而，大多数列车使用 3.3 kV 或 1.7 kV 的电力设备。

再生制动可将部分电力返回到本地电网、铁路配电系统或储能系统，这使得系统比前述应用中的系统更为复杂。再生的能量必须立即储存或使用，否则就会损失。

传统上用于铁路牵引应用的电源模块的双极硅基 IGBT 和续流二极管可以替换为单极 SiC MOSFET 和二极管，从而提高开关频率和功率密度。

为了减少铁路牵引应用中使用的电力电子设备的重量和体积，必须减少传导和开关损耗，并提高最高结温。对于广泛使用的双极硅功率器件，增加传导损耗和减少开关损耗的效果相反。单极器件不像双极器件那样需要在传导和开关损耗之间进行权衡。因此，它可在减少开关损耗的同时最大限度地减少传导损耗。

使用 WBG 电力电子器件，可以显著减少电气轨道的功率损耗。因此，使用的电网电能将减少，而通过再生制动返回的电能将增加。除提高效率外，WBG 器件还具备其他优点，能够为铁路运输带来很大帮助，例如：

• 减轻了重量，从而显著影响效率
• 工作温度更高，允许使用更小的冷却系统
• 提高了开关频率，可以减少无源器件尺寸，从而降低牵引和辅助逆变器的重量。得益于更高的开关频率，逆变器和电机可以更快速地响应需求的变化，从而提高效率。最后，由于在较高频率下工作声音较小，而且冷却风扇可以关闭，因此当火车行驶时，火车站的噪音更小。

海洋和航空应用

长期以来，电力电子技术的创新已经使海洋产业受益。在轮船上，由柴油发动机驱动的同步发电机产生中压交流电，用于驱动各种负载。这些负载主要包括推进装置（混合使用 AC-DC 和 DC-AC 转换器）以及其他一些负载。

海洋产业的最新趋势是试图用直流配电网取代交流配电网。这种解决方案让发电机无需与交流配电同步，而只需在可变速度下运行，并且实现了燃料的节约。另一方面，它需要在交流发电机和直流配电网之间引入整流器电路（AC-DC 转换器）。

船用推进变速驱动器是船舶的关键部件，必须有极高的运行可靠性。它们的额定功率通常从几瓦到几十兆瓦不等。通常情况下，这些驱动器是采用交流配电网的船舶中最重要的电源转换模块。因此，它们的高效工作至关重要。

传统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时，还能减小尺寸和重量。WBG 器件将很快取代硅基器件成为行业主流，带来硅技术无法实现的先进电力电子系统解决方案。

未来由燃料涡轮机驱动的发电机将成为混合动力和全电动航空推进系统的主要动力。随后将使用电力电子器件来连接发电机和电机。为了确保提供足够的电力，必须使用高压直流母线。这些目前的电压范围各不相同，从轻型车辆上的几千伏到飞机上的中压范围。此外，高压直流母线让我们能够使用永磁同步电机作为发电机，这样可以降低无功功率以及电力电子器件的额定值。由于发电机转速快，电源转换器需要能够在高开关频率下运行的设备，这就导致滤波器元件体积更小、重量更轻。

碳化硅是最有前景的半导体器件，在满足所有要求的同时，还能确保高转换效率。对于低功率范围的飞机，新开发的 3.3 kV 和 6.5 kV SiC MOSFET 器件具有重要的意义。这些器件还可在模块化电源转换器拓扑结构中使用，以满足大型飞机的更高电压/功率要求。

总结

与传统半导体相比，宽带隙半导体，如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，在处理高电压和高温度的能力和降低功率损耗方面具备诸多优势。这些特性使它们特别适合用于交通运输等应用中的电力电子设备。

WBG 半导体在运输业中得到广泛应用，以开发更高效和更可靠的电动和混合动力汽车。宽带隙半导体的功率损耗较低，可以实现更高的开关频率，降低电力电子设备的尺寸和重量。这反过来又能使车辆续航里程增加，充电速度加快，整体性能提高。

宽带隙半导体还让我们能够开发更加紧凑和高效的动力系统，包括电动汽车和混合动力汽车的电机驱动器和逆变器。通过减少这些部件的尺寸和重量，车辆设计师可以为其他部件腾出空间，或改善车辆的整体空气动力学性能。

除了电动汽车和混合动力汽车之外，宽带隙半导体还被用于其他运输方式，如飞机和火车。在这些应用中，宽带隙半导体的高温和高压能力可以提高电力电子设备的效率和可靠性，从而降低运行成本，提高安全性。