作者：Rolf Horn

　　整個運輸部門正在經歷一場徹底的轉型，內燃機(ICE)車輛逐漸讓位于污染較少的電動和混合動力汽車以及更清潔的大眾運輸解決方案(火車，飛機和輪船)。需要能夠最大限度地提高效率和減少環境影響的解決方案來控制溫室氣體 (GHG) 排放并緩解全球變暖。

　　寬帶隙(WBG)半導體具有多種特性，使其對運輸應用具有吸引力。它們的使用可以生產更高效、更快、更輕便的車輛，提高續航里程并減少對環境的影響。

　　世界銀行集團材料的特性

　　寬帶隙材料因其優于常用硅(Si)的優勢而迅速改變電力電子領域。硅的帶隙為 1.1 電子伏特 (eV)，而 WBG 材料的帶隙為 2 至 4 eV。此外，大多數WBG半導體的擊穿電場遠高于硅。這意味著它們可以在明顯更高的溫度和電壓下工作，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)與硅相比的主要性能，這是兩種最受歡迎的WBG材料。

　　表 1：Si、SiC 和 GaN 性能比較。

　　主要優點 碳化硅功率器件與硅基同行相比，以下幾點：

　　低開關損耗：SiC MOSFET 是單極器件，具有非常低的導通和關斷開關損耗。該特性能夠以更低的損耗實現更高的開關頻率，從而減少無源元件和磁性元件

　　低傳導損耗：由于沒有雙極結，SiC 器件還可以降低輕負載或部分負載操作期間的損耗

　　高工作溫度：與硅相比，碳化硅具有優越的熱性能。SiC 在很寬的溫度范圍內具有低漏電流，允許在 200°C 以上工作。 簡化的冷卻和出色的熱管理是該特性的結果

　　本征體二極管：由于這一特性，SiC MOSFET 可以在第三象限的二極管模式下工作，在電源應用中提供出色的性能

　　結合上述特性可以獲得具有更高功率密度、效率、工作頻率和更小尺寸的 SiC 器件。

　　主要優點 氮化鎵功率器件，與Si和SiC對應物相比，如下：

　　GaN器件可以在第三象限工作，無需反向恢復電荷，即使它們沒有本征體二極管。因此，無需反并聯二極管

　　低柵極電荷 QG 和導通電阻 RDS(ON)，這意味著更低的驅動器損耗和更快的切換速率

　　零反向恢復，從而降低開關損耗和EMI噪聲

　　高 dv/dt：GaN 可以在非常高的頻率下開關，與具有類似 R 的 SiC MOSFET 相比，其導通速度快 4 倍，關斷速度快 2 倍DS(ON)

　　世界銀行集團設備的應用

　　如圖1所示，在某些應用中，SiC和GaN提供最佳性能，而其他應用的特性與硅的特性重疊。通常，GaN器件是高頻應用的最佳選擇，而SiC器件在高電壓下具有高電位。

　　圖 1：Si、SiC 和 GaN 器件的潛在應用。(資料來源： 英飛凌)

　　混合動力和電動汽車

　　H/EV 使用多種電力電子系統將電網或發動機能量轉換為適合為電機和輔助設備供電的形式。大多數H / EV還使用再生制動，其中車輪旋轉發電機為電池充電。

　　牽引逆變器是這些車輛中的關鍵組件，它將來自電池的直流高壓轉換為交流電，為三相電機供電(見圖 2)。由于涉及高功率，SiC 器件是該應用中的首選，額定值為 650 V 或 1.2 kV，具體取決于逆變器的拓撲結構。SiC 有助于減少損耗、尺寸和重量，支持采用小尺寸的解決方案。

　　圖 2：H/EV 的主要組件。(資料來源： 羅姆半導體)

　　車載充電器 (OBC) 連接到電網，將交流電壓轉換為直流電壓為電池充電。OBC 輸出功率通常在 3.3 kW 和 22 kW 之間，依賴于高壓(600 V 及以上)功率器件。雖然SiC和GaN都適用于此應用，但GaN的特性，如高開關頻率、低傳導損耗以及更小的重量和尺寸，使其成為實現OBC的理想解決方案。

　　WBG在H/EV中的另一種應用是低壓(LV)DC-DC轉換器，負責將電池電壓(HEV為200 V，EV為400 V以上)降至為輔助系統供電所需的12 V / 48 V直流電壓。LV 轉換器的典型功率小于 1 kW，可使用 GaN 和 SiC 器件實現更高的頻率。

　　表2總結了Si、SiC和GaN如何滿足前面提到的H/EV應用的要求。

　　表2：WBG在H/EV中的應用以及與Si的性能比較。

　　鐵路運輸

　　電動列車通過接觸網線或第三條軌道從電網獲取電力，將其轉換為適合電機和輔助系統的形式。如果列車在交流線路上運行，變壓器和整流器必須降壓并將電壓調節為直流。然后，直流電壓被分割并通過逆變器輸送，以滿足輔助和牽引系統的需求。

　　牽引逆變器將直流電轉換為交流電，為電機供電，并重新調節再生制動產生的電力。因此，該轉換器旨在運行雙向能量流。相反，輔助逆變器為冷卻系統、乘客舒適度和其他與運動無關的需求提供動力。

　　牽引逆變器內電力電子設備的尺寸取決于列車的等級：

　　過境列車：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

　　但是，大多數列車使用3.3 kV或1.7 kV。

　　再生制動將部分電力返回當地電網、鐵路配電系統或儲能，使系統比前面所述的應用更復雜。再生能源必須立即儲存或使用;否則，它將丟失。

　　傳統上用于鐵路牽引應用功率模塊的雙極性硅基IGBT和續流二極管可以用單極性SiC基MOSFET和二極管代替，從而提高開關頻率和功率密度。

　　必須降低傳導和開關損耗，并且必須提高最大結溫，以減輕鐵路牽引應用中使用的電力電子設備的重量和體積。對于廣泛使用的雙極硅功率器件，增加傳導損耗和降低開關損耗會產生相反的效果。單極性器件不像雙極性器件那樣在導通和開關損耗之間進行權衡。因此，可以降低開關損耗，同時將傳導損耗降至最低。

　　WBG電力電子設備可以大大降低電氣軌道中的功率損耗。因此，從電網中獲取的能量將減少，而通過再生制動返回的能量將增加。WBG設備還提供額外的優勢，除了提高效率外，還大大有助于鐵路運輸，例如：

　　減輕重量對效率有重大影響

　　更高的工作溫度允許更小的冷卻系統

　　增加開關頻率可實現更小的無源尺寸，從而減輕牽引和輔助逆變器的重量。由于開關頻率更高，逆變器和電機可以更快地響應需求變化，從而提高效率。最后，由于較高的頻率聽不到，并且冷卻風扇可能會關閉，因此當火車存在時，鐵路站的噪音會降低。

　　船舶和航空應用

　　長期以來，電力電子創新使船舶行業受益匪淺。在船上，來自柴油發動機動力的同步發電機的中壓交流級電力供應給各種負載。推進驅動器(AC-DC和DC-AC轉換器的混合物)和其他負載主要在其中。

　　海洋部門的最新趨勢是試圖用直流配電網絡取代交流配電網絡。該解決方案消除了將發電機與交流配電同步的需要，前提是它們可以以可變速度運行，并實現燃料節約。另一方面，它需要在交流發電機和直流配電網絡之間引入整流電路(AC-DC轉換器)。

　　船用推進變速驅動器是船舶的關鍵部件，必須以極高的可靠性運行。它們的額定功率通常從幾瓦到幾十兆瓦不等。通常，這些驅動器是具有交流配電的船舶中最重要的電源轉換塊。因此，它們的高效率至關重要。

　　傳統的硅基功率器件再次被SiC和GaN器件所取代，這些器件在提高效率的同時減小了尺寸和重量。WBG器件將很快取代硅基器件成為行業領導者，帶來硅技術無法實現的尖端電力電子系統解決方案。

　　未來的燃料渦輪動力發電機將成為混合動力和全電動航空電子推進系統的主要推動者。隨后將使用電力電子設備連接發電機和電機。需要非常高的直流電壓總線來確保有足夠的電力可用。這些總線的電壓范圍從輕型車輛的幾kV到飛機的MV范圍。此外，高直流電壓總線使得使用永磁同步電機作為發電機成為可能，從而降低了無功功率和電力電子設備的額定值。功率轉換器需要能夠在高開關頻率下運行的設備，因為發電機轉速快，這會導致濾芯更小、更輕。

　　碳化硅是最有前途的半導體器件，可以滿足所有要求，同時確保高轉換效率。對于較低功率范圍內的飛機，新創建的 3.3 kV 和 6.5 kV SiC MOSFET 器件具有重要意義。它們還可以用于模塊化電源轉換器拓撲，以滿足大型飛機更高的電壓/功率要求。

　　結論

　　與傳統半導體相比，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙半導體在能夠以較低的功率損耗處理高電壓和溫度方面具有多項優勢。這些特性使其特別適用于各種應用中使用的電力電子設備，包括運輸。

　　WBG半導體用于運輸行業，以開發更高效，更可靠的電動和混合動力汽車。寬帶隙半導體的低功率損耗允許更高的開關頻率，從而減小電力電子設備的尺寸和重量。反過來，這可以帶來更大的車輛續航里程、更快的充電時間和更高的整體性能。

　　寬帶隙半導體還可以開發更緊湊、更高效的動力總成，包括用于電動汽車和混合動力汽車的電機驅動器和逆變器。通過減小這些部件的尺寸和重量，車輛設計師可以為其他部件騰出空間或改善車輛的整體空氣動力學性能。

　　除了電動和混合動力電動汽車外，寬帶隙半導體還用于其他運輸形式，如飛機和火車。在這些應用中，寬帶隙半導體的高溫和高電壓能力可以提高電力電子設備的效率和可靠性，從而降低運營成本并提高安全性。