Halvledere med bred båndavstand forvandler transportverdenen

Hele transportsektoren gjennomgår en radikal transformasjon, der kjøretøy med forbrenningsmotor (ICE – internal combustion engine) gradvis gir vei til mindre forurensende el- og hybridbiler og renere løsninger for massetransport (tog, fly og skip). Løsninger som er i stand til å maksimere virkningsgraden og redusere miljøpåvirkningen, er nødvendige for å holde klimagassutslipp (GHG – greenhouse gases) nede og redusere global oppvarming.

Halvledere med bred båndavstand (WBG – wide bandgap) har flere egenskaper som gjør dem attraktive for transportformål. Bruken kan resultere i mer effektive, raskere og lettere kjøretøy med forbedret rekkevidde og redusert miljøpåvirkning.

Egenskapene til WBG-materialer

Materialer med brede båndavstander forvandler raskt kraftelektronikkens område på grunn av fordelene de har sammenlignet med standard silisium (Si). Silisium har en båndavstand på 1,1 elektronvolt (eV), mens WBG-materialer en båndavstand på 2 til 4 eV. I tillegg er det elektriske feltets sammenbrudd for de fleste WBG-halvledere betydelig høyere enn silisium. Det betyr at de kan fungere ved betydelig høyere temperaturer og spenninger, noe som gir høyere effektnivåer og lavere tap. Tabell 1 viser de viktigste egenskapene til silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN), de to mest populære WBG-materialene, sammenlignet med silisium.

Tabell 1: Sammenligning av egenskapene til Si, SiC og GaN.

Hovedfordelene til SiC-effekthalvledere, sammenlignet med silisiumbaserte motstykker, er følgende:

• Lave vekslingstap: SiC MOSFET-er er enpolede enheter som viser svært lave vekslingstap ved på- og avkobling. Denne egenskapen gir høyere vekslingsfrekvenser med lavere tap, noe som gjør det mulig å redusere passive komponenter og magnetikk
• Lave konduksjonstap: På grunn av manglende topolede koblingspunkt, kan SiC-enheter også redusere tap under drift med lett eller delvis belastning
• Høye driftstemperaturer: Silisiumkarbid gir overlegne termiske egenskaper sammenlignet med silisium. SiC viser lave lekkasjestrømmer over et bredt temperaturområde, noe som muliggjør drift over 200 °C. Forenklet kjøling og utmerket varmestyring er et resultat av denne egenskapen
• Integrert body-diode: Takket være denne egenskapen kan SiC MOSFET-er være virksomme i diodemodus i den tredje kvadranten, noe som gir utmerket ytelse i strømkonstruksjoner

Kombinasjon av de ovennevnte egenskapene gjør det mulig å oppnå SiC-enheter med høyere effekttetthet, virkningsgrad, driftsfrekvenser og mindre monteringsflate.

Hovedfordelene til GaN-effekthalvledere, sammenlignet med Si- eller SiC-motstykker, er følgende:

• GaN-enheter kan fungere i den tredje kvadranten uten sperreforsinkelsesladning, selv om de ikke har noen indre body-diode. Som et resultat er det ikke behov for noen anti-parallell-diode

• Lav gate-ladning Q_G og på-motstand (motstand i påslått tilstand) R_DS(ON), noe som resulterer i lavere driftstap og raskere vekslingshastigheter
• Null sperreforsinkelse, noe som resulterer i lavere vekslingstap og mindre EMI-støy
• Høy dv/dt: GaN kan veksle ved svært høye frekvenser og har 4 ganger raskere påkobling og 2 ganger raskere avkobling enn SiC MOSFET-er med lignende R_DS(ON)

Bruksområder for WBG-enheter

Som fremhevet i figur 1, finnes det konstruksjoner der SiC og GaN tilbyr den beste ytelsen og andre der egenskapene deres overlapper de til silisium. GaN-enheter er ofte det beste valget for høyfrekvente konstruksjoner, mens SiC-enheter har høyt potensial ved høye spenninger.

Figur 1: Potensielle bruksområder for Si-, SiC- og GaN-enheter. (Kilde: Infineon)

Hybrid- og elbiler

Hybrid- og elbiler bruker flere kraftelektronikksystemer til å omdanne nett- eller motorenergi til en type som er egnet for å drive motor- og hjelpeenheter. De fleste hybrid- og elbiler bruker også regenerativ bremsing, der hjulene roterer generatoren som lader batteriet.

Trekkraftinverteren er en avgjørende komponent i disse kjøretøyene – den konverterer DC-høyspenningen (DC – likestrøm) fra batteriene til AC (vekselstrøm) for å drive trefasemotoren (se figur 2). På grunn av den høye effekten som er involvert, foretrekkes SiC-enheter i denne konstruksjonen, med en klassifisering på 650 V eller 1,2 kV, avhengig av inverterens topologi. SiC bidrar til å redusere tap, størrelse og vekt, noe som muliggjør løsninger med liten formfaktor.

Figur 2: Hovedkomponenter i en hybrid-/elbil. (Bildekilde: ROHM Semiconductor)

Den innebygde laderen (OBC) kobles til nettet og omformer AC-spenning til DC-spenning for å lade batteriet. OBC-utgangseffekten ligger vanligvis mellom 3,3 kW og 22 kW og er avhengig av høyspente (600 V og over) effekthalvledere. Selv om både SiC og GaN er egnet for denne konstruksjonen, gir egenskapene til GaN, for eksempel høy vekslingsfrekvens, lave konduksjonstap og redusert vekt og størrelse, en ideell løsning for å implementere OBC-er.

Et annet bruksområde for WBG i hybrid-/elbiler, er den lavspente (LV) DC–DC-omformeren, som er ansvarlig for å redusere batterispenningen (200 V i hybridbiler, over 400 V i elbiler) til 12 V / 48 V DC-spenningen som kreves for å drive hjelpesystemene. Med en typisk effekt på mindre enn 1 kW kan LV-omformeren oppnå høyere frekvenser ved å bruke GaN- og SiC-enheter.

Tabell 2 oppsummerer hvordan Si, SiC og GaN oppfyller kravene til de tidligere nevnte bruksområdene for hybrid-/elbiler.

Tabell 2: Bruksområder for WBG i hybrid-/elbiler og sammenligning av ytelse med Si.

Skinnetransport

Elektriske tog trekker strøm fra nettet via en opphengt kjøreledning eller en tredje skinne, og omformer denne strømmen til en type som er egnet for motorene og hjelpesystemene. Hvis toget er i drift på en AC-linje, må en transformator og en likeretter nedtransformere og behandle spenningen til DC (likestrøm). DC-spenningen blir så delt og levert gjennom invertere for å imøtekomme behovene til hjelpesystemene og de mekaniske trekksystemene.

Inverteren for mekanisk trekkraft omformer DC til AC for å drive motorene, og den rekonstituerer strømmen som produseres via regenerativ bremsing. Derfor er denne omformeren konstruert for å kjøre en toveis strøm av energi. I stedet forsyner hjelpeinverteren strøm til kjølesystemer, passasjerkomfort og andre ikke-bevegelsesrelaterte behov.

Størrelsen på kraftelektronikken i inverteren for mekanisk trekkraft avhenger av togets klasse:

• Transittog: 1,2 kV til 2,5 kV
• Pendlertog: 1,7 kV til 3,3 kV
• Intercitytog: over 3,3 kV

De fleste tog bruker enten 3,3 kV eller 1,7 kV.

Regenerativ bremsing, som returnerer en del av strømmen til det lokale strømnettet, strømdistribusjonssystemet for jernbanen eller energilagring, gjør systemet mer komplisert enn de som er angitt i de tidligere nevnte bruksområdene. Regenerert energi må lagres eller brukes umiddelbart; ellers går den tapt.

Topolede Si-baserte IGBT-er og friløpsdioder, som tradisjonelt brukes i strømmoduler for jernbanens mekaniske trekkraftkonstruksjoner, kan erstattes av enpolede SiC-baserte MOSFET-er og dioder, noe som dermed øker vekslingsfrekvensen og strømtettheten.

Konduksjons- og vekslingstapene må reduseres, og den maksimale grenseskikttemperaturen må økes for å redusere vekten og volumet til det kraftelektroniske utstyret som brukes i jernbanens mekaniske trekkraftkonstruksjoner. For de mye brukte topolede effekthalvlederne av silisium, vil økning av konduksjonstap og reduksjon av vekslingstap ha motsatte virkninger. En enpolet enhet opplever ikke kompromissene mellom konduksjonstap og vekslingstap på samme måte som topolede enheter gjør. Som et resultat kan vekslingstapene reduseres samtidig som konduksjonstapene minimaliseres.

Effekttap i den elektriske skinnen kan reduseres drastisk med WBG-kraftelektronikk. Som et resultat vil mindre energi bli trukket fra nettet, og mer vil bli returnert via regenerativ bremsing. WBG-enheter gir også ytterligere fordeler som i stor grad hjelper jernbanetransport, i tillegg til å gi økninger i virkningsgrad, for eksempel:

• Redusert vekt har betydelig innvirkning på virkningsgraden
• Høyere driftstemperatur muliggjør mindre kjølesystem
• Økt vekslingsfrekvens muliggjør mindre passive dimensjoner, noe som reduserer vekten til den mekaniske trekkraften og hjelpeinverterne. Inverteren og motoren kan reagere raskere på variasjoner i etterspørsel takket være den høyere vekslingsfrekvensen, noe som igjen øker virkningsgraden. Til slutt, siden den høyere frekvensen er mindre hørbar og kjølevifter kan slås av, vil jernbanestans være mindre støyende når tog er til stede.

Bruksområder innen sjøfart og luftfart

Innovasjoner innen kraftelektronikk har vært gunstig for sjøfartssektoren i lang tid. På skipet er elektrisitet med middels AC-spenningsnivåer fra synkrone generatorer drevet av dieselmotorer forsynt til ulike laster. Drivenheter (en blanding av AC–DC- og DC–AC-omformere) og andre belastninger er hovedsakelig blant disse.

Nyere trender i sjøfartssektoren prøver å erstatte elektriske AC-distribusjonsnett med DC-distribusjonsnett. Denne løsningen fjerner behovet for å synkronisere generatorene til AC-strømfordelingen, forutsatt at de kan fungere ved variable hastigheter og oppnå drivstoffbesparelser. På den annen side krever dette at likeretterkretser (AC–DC-omformere) innføres mellom AC-generatorer og DC-strømfordelingsnettet.

Drivenheter med variabel hastighet for sjøfarten er svært viktige skipskomponenter som må være virksomme med ekstrem pålitelighet. De er ofte klassifisert fra noen få watt til noen få titalls megawatt. Ofte er disse drivverkene de mest signifikante strømomformingsblokkene i et skip med elektrisk AC-strømfordeling. Derfor er den høye virkningsgraden til disse avgjørende.

Nok en gang blir konvensjonelle silisiumbaserte effekthalvledere erstattet av SiC- og GaN-enheter, noe som øker virkningsgraden og samtidig reduserer størrelsen og vekten. WBG-enheter vil snart innhente Si-baserte enheter som den industriledende aktøren, og de bringer banebrytende kraftelektronikksystemløsninger som er umulige med silisiumteknologi.

Fremtidige drivstoff-turbin-drevne elektriske generatorer vil være hovedmotoren for hybride og helelektriske fremdriftssystemer for luft- og romfart. Kraftelektronikk vil således brukes til å koble til generatoren og motoren. Busser med svært høy DC-spenning er nødvendig for å sikre at nok strøm er tilgjengelig. Disse bussene kan variere i spenning fra noen få kV for lette kjøretøy til flere MV for fly. Videre vil en buss med høy DC-spenning gjøre det mulig å bruke permanentmagnetmaskiner som generatorer, noe som reduserer reaktiv effekt og kraftelektronikkens klassifisering. Strømomformerne trenger utstyr som kan fungere ved høye vekslingsfrekvenser på grunn av den raske rotasjonshastigheten til generatoren, noe som resulterer i mindre og lettere filterelementer.

Silisiumkarbid er den mest lovende halvlederenheten som oppfyller alle krav, samtidig som den sikrer høy omformingsvirkningsgrad. For luftfartøy i det lavere effektområdet, er nyopprettede SiC MOSFET-enheter på 3,3 kV og 6,5 kV av stor interesse. De kan også brukes i modulære effektomformertopologier for å møte de høyere spennings- og effektbehovene til større luftfartøy.

Konklusjon

Halvledere med bred båndavstand, slik som silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN), gir flere fordeler sammenlignet med tradisjonelle halvledere når det gjelder å håndtere høye spenninger og temperaturer med lavere effekttap. Disse egenskapene gjør dem spesielt godt egnet for kraftelektronikken som brukes i ulike konstruksjoner, inkludert transport.

WBG-halvledere brukes i transportindustrien til å utvikle mer effektive og pålitelige el- og hybridbiler. Det lavere effekttapet til halvledere med bred båndavstand muliggjør høyere vekslingsfrekvenser, noe som reduserer kraftelektronikkens størrelse og vekt. Dette kan i sin tur resultere i økt kjøretøyrekkevidde, raskere ladetider og forbedret generell ytelse.

Halvledere med bred båndavstand gjør det også mulig å utvikle mer kompakte og effektive drivverk, inkludert motordrivere og invertere for el- og hybridbiler. Ved å redusere størrelsen og vekten til disse komponentene, kan kjøretøykonstruktører frigjøre plass til andre komponenter eller forbedre kjøretøyets generelle aerodynamikk.

I tillegg til elektriske og hybridelektriske kjøretøy, brukes halvledere med bred båndavstand også i andre transporttyper, for eksempel fly og tog. I disse konstruksjonene kan den høye temperaturen og de høyspente egenskapene til halvledere med bred båndavstand forbedre virkningsgraden og påliteligheten til kraftelektronikk, noe som gir reduserte driftskostnader og forbedret sikkerhet.