Semiconductorii cu bandă interzisă largă remodelează lumea transporturilor

Întregul sector al transporturilor trece printr-o transformare radicală, vehiculele cu motor cu combustie internă (ICE) cedând treptat locul unor automobile electrice și hibride mai puțin poluante și unor soluții de transport în masă mai puțin poluante (trenuri, avioane și nave). Sunt necesare soluții capabile să maximizeze eficiența și să reducă impactul asupra mediului pentru a limita emisiile de gaze cu efect de seră (GES) și pentru a atenua încălzirea globală.

Semiconductorii cu bandă interzisă largă (WBG) prezintă mai multe proprietăți care îi fac atractivi pentru aplicațiile de transport. Utilizarea acestora poate duce la crearea unor vehicule mai eficiente, mai rapide și mai ușoare, cu o autonomie mai mare și un impact redus asupra mediului.

Proprietăți ale materialelor WBG

Materialele cu bandă interzisă largă transformă rapid domeniul electronicii de putere datorită avantajelor pe care le oferă față de siliciul (Si) utilizat în mod obișnuit. În timp ce siliciul are o bandă interzisă de 1,1 electronvolți (eV), materialele WBG au o bandă interzisă de la 2 până la 4 eV. În plus, câmpul electric de străpungere al majorității semiconductorilor WBG este substanțial mai mare decât cel al siliciului. Asta înseamnă că pot funcționa la temperaturi și tensiuni semnificativ mai ridicate, oferind niveluri de putere mai mari și pierderi mai mici. Tabelul 1 enumeră principalele proprietăți ale carburii de siliciu (SiC) și ale nitrurii de galiu (GaN), cele mai populare două materiale WBG, în comparație cu siliciul.

Tabelul 1: Compararea proprietăților Si, SiC și GaN.

Principalele avantaje ale dispozitivelor de putere SiC, în comparație cu omologii pe bază de siliciu, sunt următoarele:

• Pierderi reduse la comutare: MOSFET-urile SiC sunt dispozitive unipolare care prezintă pierderi de comutare foarte mici la activare și dezactivare. Această proprietate permite frecvențe de comutare mai mari cu pierderi mai mici, permițând reducerea componentelor pasive și magnetice
• Pierderi de conducție reduse: datorită absenței unei joncțiuni bipolare, dispozitivele SiC pot reduce pierderile în timpul funcționării la sarcină ușoară sau la sarcină parțială.
• Temperaturi de funcționare ridicate: carbura de siliciu oferă proprietăți termice superioare în comparație cu siliciul. SiC prezintă curenți de scurgere scăzuți pe o gamă largă de temperaturi, permițând funcționarea la temperaturi de peste 200 °C. Răcirea simplificată și managementul termic excelent sunt o consecință a acestei proprietăți.
• Diodă de corp intrinsecă: datorită acestei caracteristici, MOSFET-urile SiC pot funcționa în modul diodă în al treilea cadran, oferind performanțe excelente în aplicațiile de putere

Combinarea proprietăților de mai sus permite obținerea unor dispozitive SiC cu densitate de putere, eficiență, frecvențe operaționale și amprentă mai mari.

Principalele avantaje ale dispozitivelor de putere GaN, în comparație cu omologii din Si și SiC, sunt următoarele:

• Dispozitivele GaN pot funcționa în al treilea cadran fără sarcină de recuperare inversă, chiar dacă nu au o diodă de corp intrinsecă. Drept urmare, nu este nevoie de o diodă antiparalelă

• Încărcare redusă a porții Q_G și rezistență la pornire R_DS(ON), care se traduc prin pierderi de comandă mai mici și rate de comutare mai rapide
• Recuperare inversă zero, ceea ce duce la pierderi de comutare mai mici și mai puțin zgomot EMI
• dv/dt ridicat: GaN poate comuta la frecvențe foarte înalte și are o pornire de 4 ori mai rapidă și o oprire de 2 ori mai rapidă decât MOSFET-urile SiC cu R_DS(ON) similare

Aplicații ale dispozitivelor WBG

După cum se evidențiază în Figura 1, există aplicații în care SiC și GaN oferă cele mai bune performanțe și altele în care caracteristicile lor se suprapun peste cele ale siliciului. Adesea, dispozitivele GaN sunt cea mai bună alegere pentru aplicațiile de înaltă frecvență, în timp ce dispozitivele SiC au un potențial ridicat la tensiuni înalte.

Figura 1: Aplicații potențiale ale dispozitivelor Si, SiC și GaN. (Sursa: Infineon)

Vehicule hibride și electrice

Vehiculele hibride/electrice utilizează mai multe sisteme electronice de putere pentru a transforma energia din rețea sau din motor într-o formă adecvată pentru alimentarea motorului și a dispozitivelor auxiliare. De asemenea, majoritatea vehiculelor hibride/electrice utilizează frânarea regenerativă, în care roțile acționează generatorul pentru a încărca bateria.

Invertorul de tracțiune este o componentă crucială a acestor vehicule, deoarece convertește tensiunea înaltă de curent continuu de la baterii în curent alternativ pentru alimentarea motorului trifazat (consultați Figura 2). Din cauza puterii mari implicate, în această aplicație sunt preferate dispozitivele SiC, cu o putere nominală de 650 V sau 1,2 kV, în funcție de topologia invertorului. SiC ajută la reducerea pierderilor, a dimensiunilor și a greutății, permițând soluții cu factori de formă mici.

Figura 2: Componentele principale ale unui vehicul hibrid/electric. (Sursa: ROHM Semiconductor)

Încărcătorul de la bord (OBC) se conectează la rețea, transformând tensiunea c.a. în tensiune c.c., pentru a încărca bateria. De obicei, puterea de ieșire a OBC este cuprinsă între 3,3 kW și 22 kW și se bazează pe dispozitive de alimentare de înaltă tensiune (600 V și peste). În timp ce atât SiC, cât și GaN sunt potrivite pentru această aplicație, caracteristicile GaN, cum ar fi frecvența de comutare ridicată, pierderile de conducție scăzute și greutatea și dimensiunea reduse, fac din aceasta soluția ideală pentru implementarea OBC-urilor.

O altă aplicație a WBG în vehiculele hibride/electrice este convertorul c.c. - c.c. de joasă tensiune (LV), responsabil pentru reducerea tensiunii bateriei (200 V în cazul vehiculelor electrice hibride, peste 400 V în cazul vehiculelor electrice) la tensiunea de 12 V/48 V c.c. necesară pentru alimentarea sistemelor auxiliare. Cu o putere tipică de mai puțin de 1 kW, convertorul de joasă tensiune poate atinge frecvențe mai mari folosind dispozitive GaN și SiC.

Tabelul 2 rezumă modul în care Si, SiC și GaN îndeplinesc cerințele aplicațiilor vehiculelor hibride/electrice menționate anterior.

Tabelul 2: Aplicații ale WBG în vehiculele hibride/electrice și compararea performanțelor cu Si.

Transport feroviar

Trenurile electrice preiau energia de la rețea prin intermediul unei linii catenare sau a unei a treia șine, transformând-o într-o formă adecvată pentru motoare și sistemele auxiliare. În cazul în care trenul funcționează pe o linie c.a., un transformator și un redresor trebuie să reducă și să condiționeze tensiunea în c.c. Tensiunea c.c. este apoi împărțită și furnizată prin intermediul invertoarelor pentru a răspunde nevoilor sistemelor auxiliare și de tracțiune.

Invertorul de tracțiune transformă c.c. în c.a. pentru alimentarea motoarelor și recondiționează energia electrică produsă prin frânarea regenerativă. Prin urmare, acest convertor este proiectat pentru a asigura un flux bidirecțional de energie. În schimb, invertorul auxiliar furnizează energie pentru sistemele de răcire, confortul pasagerilor și alte nevoi care nu sunt legate de mișcare.

Dimensiunea componentelor electronice de putere din cadrul invertorului de tracțiune depinde de clasa trenului:

• Trenuri de tranzit: 1,2 kV – 2,5 kV
• Trenuri de navetă: 1,7 kV – 3,3 kV
• Trenuri intercity: peste 3,3 kV

Cu toate acestea, majoritatea trenurilor utilizează fie 3,3 kV, fie 1,7 kV.

Frânarea regenerativă, care returnează o parte din energia electrică către rețeaua locală, către sistemul de distribuție a energiei pe calea ferată sau către sistemul de stocare a energiei, face ca sistemul să fie mai complicat decât cele din aplicațiile menționate anterior. Energia regenerată trebuie să fie stocată sau utilizată imediat; în caz contrar, ea se pierde.

IGBT-urile bipolare pe bază de Si și diodele cu rotire liberă, utilizate în mod tradițional în modulele de putere pentru aplicații de tracțiune feroviară, pot fi înlocuite cu MOSFET-uri și diode unipolare pe bază de SiC, crescând astfel frecvența de comutare și densitatea de putere.

Pierderile de conducție și de comutație trebuie să fie reduse, iar temperatura maximă de joncțiune trebuie să fie ridicată pentru a reduce greutatea și volumul echipamentelor electronice de putere utilizate în aplicațiile de tracțiune feroviară. În cazul dispozitivelor de putere bipolare din siliciu utilizate pe scară largă, creșterea pierderilor de conducție și scăderea pierderilor de comutare au efecte opuse. Un dispozitiv unipolar nu se confruntă cu compromisul dintre pierderile de conducție și cele de comutare, așa cum se întâmplă cu dispozitivele bipolare. Drept urmare, pierderile de comutare ar putea fi reduse, minimizând în același timp pierderile de conducție.

Pierderile de putere în șinele electrice pot fi reduse drastic cu ajutorul electronicii de putere WBG. Prin urmare, va fi consumată mai puțină energie de la rețea și mai multă energie va fi returnată prin frânare regenerativă. De asemenea, dispozitivele WBG oferă beneficii suplimentare care ajută considerabil transportul feroviar, pe lângă creșterea eficienței, cum ar fi:

• Reducerea greutății are un impact semnificativ asupra eficienței
• Temperatura de funcționare mai ridicată permite un sistem de răcire mai mic
• Frecvența de comutare crescută permite dimensiuni pasive mai mici, ceea ce reduce greutatea invertoarelor de tracțiune și auxiliare. Datorită frecvenței de comutare mai mari, invertorul și motorul pot răspunde mai rapid la variațiile cererii, sporind astfel eficiența. În cele din urmă, deoarece frecvența mai mare este mai puțin audibilă și ventilatoarele de răcire pot fi oprite, stațiile de cale ferată ar fi mai puțin zgomotoase în prezența trenurilor.

Aplicații marine și legate de aviație

Inovațiile în domeniul electronicii de putere au avut mereu beneficii pentru sectorul maritim. Pe navă, energia electrică de medie tensiune de nivel c.a. de la generatoare sincrone alimentate de motoare diesel este furnizată la diferite sarcini. Unitățile de propulsie (un amestec de convertoare c.a. - c.c. și c.c. - c.a.) și alte sarcini se numără printre acestea.

Tendințele recente din sectorul maritim încearcă să înlocuiască rețelele de distribuție electrică c.a. cu rețele de distribuție c.c. Această soluție elimină necesitatea de a sincroniza generatoarele cu distribuția de energie c.a., cu condiția ca acestea să poată funcționa la viteze variabile, și permite economisirea combustibilului. Pe de altă parte, necesită introducerea unor circuite de redresare (convertoare c.a. - c.c.) între generatoarele c.a. și rețeaua de distribuție a energiei electrice c.c.

Sistemele de acționare cu viteză variabilă pentru propulsia marină sunt componente cruciale ale navelor care trebuie să funcționeze cu o fiabilitate extremă. Acestea sunt frecvent evaluate de la câțiva wați la câteva zeci de megawați. Adesea, aceste unități sunt cele mai importante blocuri de conversie a puterii într-o navă cu distribuție de energie electrică c.a. Prin urmare, eficiența lor crescută este esențială.

Încă o dată, dispozitivele de alimentare convenționale pe bază de siliciu sunt înlocuite cu dispozitive SiC și GaN, care sporesc eficiența, reducând în același timp dimensiunea și greutatea. Dispozitivele WBG vor depăși în curând dispozitivele pe bază de Si ca lider al industriei, aducând soluții de ultimă generație pentru sistemele electronice de putere care sunt imposibile cu tehnologia siliciului.

Viitoarele generatoare electrice alimentate de turbine de combustibil vor fi motorul principal pentru sistemele de propulsie avionică hibride și complet electrice. Electronica de putere va fi utilizată ulterior pentru a conecta generatorul și motorul. Sunt necesare magistrale de tensiune c.c. cu valori foarte mari pentru a asigura disponibilitatea unei cantități suficiente de energie. Tensiunea acestor magistrale poate varia de la câțiva kV pentru vehiculele ușoare până la gama MV pentru avioane. În plus, o magistrală de tensiune c.c. înaltă face posibilă utilizarea mașinilor sincrone cu magneți permanenți ca generatoare, ceea ce reduce puterea reactivă și puterea nominală a electronicelor de putere. Convertoarele de putere au nevoie de echipamente care pot funcționa la frecvențe de comutare ridicate datorită vitezei mari de rotație a generatorului, ceea ce rezultă în elemente de filtrare mai mici și mai ușoare.

Carbura de siliciu este cel mai promițător dispozitiv semiconductor care îndeplinește toate cerințele, asigurând în același timp o eficiență ridicată a conversiei. Pentru aeronavele din gama de putere mai mică, dispozitivele MOSFET SiC de 3,3 kV și 6,5 kV nou create prezintă un interes semnificativ. Acestea pot fi utilizate și în topologii de convertoare de putere modulare pentru a satisface cerințele mai mari de tensiune/putere ale aeronavelor mai mari.

Concluzie

Semiconductorii cu bandă interzisă largă, cum ar fi carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN), oferă mai multe avantaje față de semiconductorii tradiționali în ceea ce privește capacitatea lor de a suporta tensiuni și temperaturi ridicate cu pierderi de putere mai mici. Aceste caracteristici le fac deosebit de potrivite pentru electronica de putere utilizată în diverse aplicații, inclusiv în domeniul transporturilor.

Semiconductorii WBG sunt utilizați în industria transporturilor pentru a dezvolta vehicule electrice și hibride mai eficiente și mai fiabile. Pierderea mai mică de putere a semiconductorilor cu bandă interzisă largă permite frecvențe de comutare mai mari, reducând dimensiunea și greutatea electronicii de putere. Acest lucru, la rândul său, poate duce la o autonomie mai mare a vehiculului, la timpi de încărcare mai rapizi și la o performanță generală îmbunătățită.

De asemenea, semiconductorii cu bandă interzisă largă permit dezvoltarea unor grupuri motopropulsoare mai compacte și mai eficiente, inclusiv acționări de motoare și invertoare pentru vehicule electrice și vehicule electrice hibride. Prin reducerea dimensiunii și greutății acestor componente, proiectanții de vehicule pot elibera spațiu pentru alte componente sau pot îmbunătăți aerodinamica generală a vehiculului.

Pe lângă vehiculele electrice și electrice hibride, semiconductorii cu bandă interzisă largă sunt utilizați și în alte forme de transport, cum ar fi avioanele și trenurile. În aceste aplicații, capacitățile de înaltă temperatură și înaltă tensiune ale semiconductorilor cu bandă interzisă largă pot îmbunătăți eficiența și fiabilitatea electronicii de putere, ceea ce duce la reducerea costurilor de operare și la îmbunătățirea siguranței.