Leveän energiaraon puolijohteet muuttavat kuljetusalaa

Koko liikennesektori on käymässä läpi valtavaa murrosta polttomoottoriajoneuvojen hiljalleen antaessa tietä vähemmän saastuttaville sähkö- ja hybridiautoille sekä puhtaammille joukkoliikenneratkaisuille (junat, lentokoneet ja laivat). Kasvihuonekaasupäästöjen hillitsemiseksi ja ilmaston lämpenemisen hidastamiseksi tarvitaan ratkaisuja, joilla voidaan maksimoida hyötysuhde ja vähentää ympäristövaikutuksia.

Leveän energiaraon puolijohteilla (WBG) on useita ominaisuuksia, jotka tekevät niistä houkuttelevia liikennealan käyttökohteissa. Niitä käyttämällä voidaan saavuttaa hyötysuhteeltaan parempia, nopeampia ja keveämpiä ajoneuvoja, joilla on pidempi toimintamatka ja vähemmän ympäristövaikutuksia.

WBG-materiaalien ominaisuudet

Leveän energiaraon materiaalit ovat nopeasti muuttamassa tehoelektroniikka-alaa, sillä ne tarjoavat useita etuja yleisesti käytettyyn piihin verrattuna. Piin energiarako on 1,1 eV, kun taas WBG-materiaalien energiarako on 2–4 eV. Lisäksi useimpien WBG-puolijohtimien läpilyönnin aiheuttava sähkökenttä on huomattavasti piitä korkeampi. Tämä tarkoittaa, että ne voivat toimia huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa ja korkeammilla jännitteillä, mikä tarjoaa korkeammat tehotasot ja pienemmät häviöt. Taulukossa 1 luetellaan kahden suosituimman WBG-materiaalin, piikarbidin (SiC) ja galliumnitridin (GaN), tärkeimmät ominaisuudet verrattuna piihin.

Taulukko 1: Si-, SiC- ja GaN-materiaalien ominaisuuksien vertailu.

SiC-tehokomponenttien tärkeimmät edut vastaaviin piitä käyttäviin komponentteihin ovat seuraavat:

• Alhaiset kytkentähäviöt: SiC MOSFET ‑transistorit ovat unipolaarisia komponentteja, joissa on erittäin alhaiset päälle- ja poiskytkentähäviöt. Tämä ominaisuus mahdollistaa korkeammat kytkentätaajuudet pienemmillä häviöillä, minkä ansiosta tarvitaan vähemmän passiivisia komponentteja ja magneetteja.
• Alhaiset johtumishäviöt: bipolaarisen siirtymävyöhykkeen puuttumisen vuoksi SiC-komponentit voivat myös vähentää häviöitä kevyen kuorman tai osittaisen kuorman aikana.
• Korkeat käyttölämpötilat: piikarbidi tarjoaa ylivertaiset lämpöominaisuudet piihin verrattuna. Piikarbidin vuotovirrat ovat alhaisia laajalla lämpötila-alueella, mikä mahdollistaa käytön yli 200 °C:n lämpötilassa. Tämän ominaisuuden ansiosta jäähdytys on yksinkertaisempaa ja lämmönhallinta erinomaista.
• Sisäinen runkodiodi: tämän ominaisuuden ansiosta SiC MOSFET ‑transistorit voivat toimia dioditilassa kolmannessa neljänneksessä, mikä tarjoaa erinomaisen suorituskyvyn tehosovelluksissa.

Kun yllä mainitut ominaisuudet yhdistetään, voidaan valmistaa piikarbidikomponentteja, joiden tehotiheys, hyötysuhde ja toimintataajuus ovat korkeampia ja joiden koko on pienempi.

GaN-tehokomponenttien tärkeimmät edut verrattuna vastaaviin Si- ja SiC-komponentteihin ovat seuraavat:

• GaN-komponentit voivat toimia kolmannessa neljänneksessä ilman estosuuntaista elpymisvarausta, vaikka niissä ei olekaan sisäistä runkodiodia. Tämän vuoksi vastakkaisiin suuntiin rinnan kytkettyä diodia ei tarvita

• Matala hilavaraus Q_G ja johtamisresistanssi R_DS(ON), joiden ansiosta käyttöhäviöt ovat alhaisemmat ja kytkentänopeudet korkeammat
• Ei estosuunnasta toipumista, mikä vähentää kytkentähäviöitä ja EMI-kohinaa
• Korkea dv/dt: GaN pystyy kytkemään erittäin korkeilla taajuuksilla, ja se siirtyy 4 kertaa nopeammin johtavaan tilaan ja 2 kertaa nopeammin ei-johtavaan tilaan kuin SiC MOSFET ‑transistorit vastaavalla R_DS(ON)-arvolla.

WBG-komponenttien sovelluksia

Kuten kuvassa 1 esitetään, on sovelluksia, joissa SiC ja GaN tarjoavat parhaan suorituskyvyn, ja muita, joissa niiden ominaisuudet ja piin ominaisuudet ovat osin päällekkäiset. GaN-komponentit ovat usein paras valinta korkeataajuisia sovelluksia varten, kun taas SiC-komponentit soveltuvat hyvin korkeisiin jännitteisiin.

Kuva 1: Si-, SiC- ja GaN-komponenttien mahdollisia sovelluksia. (Lähde: Infineon)

Hybridi- ja sähköajoneuvot

Hybridi- ja sähköajoneuvoissa käytetään useita tehoelektroniikkajärjestelmiä, jotka muuntavat sähköverkon tai moottorin syöttämän energian moottorille ja apulaitteille sopivaan muotoon. Useimmissa hybridi- ja sähköajoneuvoissa käytetään myös hyötyjarrutusta, jossa pyörät pyörittävät generaattoria akun lataamiseksi.

Invertteri on tärkeä osa näissä ajoneuvoissa, sillä se muuntaa akuston DC-korkeajännitteen vaihtovirraksi kolmivaihemoottorille (katso kuva 2). Koska tehotasot ovat korkeat, tähän käyttöön soveltuvat parhaiten SiC-komponentit, joiden nimellisarvot ovat 650 V tai 1,2 kV riippuen invertterin topologiasta. SiC auttaa vähentämään häviöitä, kokoa ja painoa ja mahdollistaa pienikokoiset ratkaisut.

Kuva 2: Hybridi- ja sähköajoneuvojen pääkomponentit. (Lähde: ROHM Semiconductor)

Ajoneuvoon asennettu laturi (OBC) kytketään sähköverkkoon ja se muuntaa AC-jännitteen DC-jännitteeksi akun lataamista varten. OBC:n antoteho on yleensä 3,3–22 kW, ja se perustuu korkealla jännitteellä (600 V tai enemmän) toimiviin tehokomponentteihin. Vaikka sekä SiC että GaN sopivat tähän, galliumnitridin ominaisuudet, kuten korkea kytkentätaajuus, alhaiset johtumishäviöt sekä pienempi paino ja koko, tekevät siitä ihanteellisen ratkaisun OBC:n toteuttamiseen.

Toinen WBG:n käyttökohde hybridi- ja sähköajoneuvoissa on matalan jännitteen (LV) DC-DC-muunnin, joka laskee akun jännitteen (200 V hybridiajoneuvoissa, yli 400 V sähköajoneuvoissa) apujärjestelmien tarvitsemaan 12/48 VDC:n jännitteeseen. LV-muuntimen tyypillinen teho on alle 1 kW, ja se voi saavuttaa korkeammat taajuudet GaN- ja SiC-komponenteilla.

Taulukossa 2 esitetään yhteenveto siitä, miten Si, SiC ja GaN täyttävät aiemmin mainittujen hybridi- ja sähköajoneuvosovellusten vaatimukset.

Taulukko 2: WBG:n käyttökohteita hybridi- ja sähköajoneuvoissa ja niiden suorituskyvyn vertailu piin suorituskykyyn.

Rautatiekuljetukset

Sähköjunat saavat sähköä sähköverkosta ajolangan tai virtakiskon kautta ja muuntavat sen moottoreille ja apujärjestelmille sopivaksi. Jos junalle syötetään vaihtovirtaa, muuntajan ja tasasuuntaajan tulee laskea ja muokata jännite tasavirraksi. Sen jälkeen tasavirtajännite jaetaan ja toimitetaan invertterien kautta apu- ja vetojärjestelmiin.

Invertteri muuntaa tasavirran vaihtovirraksi moottorien virransyöttöä varten ja muokkaa hyötyjarrutuksen tuottamaa sähköä. Siksi tämä muunnin on suunniteltu toimimaan kaksisuuntaisella energiavirralla. Apuinvertteri puolestaan syöttää virtaa jäähdytysjärjestelmille, matkustajien viihtyvyyttä varten ja muihin tarpeisiin, jotka eivät liity liikkumiseen.

Invertterin tehoelektroniikan koko määräytyy junaluokan mukaan:

• Paikallisliikenne: 1,2–2,5 kV
• Lähiliikenne: 1,7–3,3 kV
• Intercity-junat: yli 3,3 kV

Useimmissa junissa käytössä on kuitenkin joko 3,3 kV tai 1,7 kV.

Hyötyjarrutus, joka palauttaa osan sähköstä paikallisverkkoon, rautatien sähkönjakelujärjestelmään tai energiavarastoon, tekee järjestelmästä monimutkaisemman kuin aiemmin mainituissa sovelluksissa. Talteen otettu energia on varastoitava tai käytettävä välittömästi, sillä muussa tapauksessa se häviää.

Bipolaariset piipohjaiset IGBT-transistorit ja kytkentäsuojadiodit, joita perinteisesti käytetään rautateiden käyttövoimasovelluksissa, voidaan korvata unipolaarisilla piikarbidipohjaisilla MOSFET-transistoreilla ja diodeilla, mikä kasvattaa kytkentätaajuutta ja tehotiheyttä.

Johtumis- ja kytkentähäviöitä on vähennettävä ja liitoslämpötilan maksimiarvoa nostettava, jotta rautateiden käyttövoimasovelluksissa käytetyn tehoelektroniikan painoa ja tilavuutta voidaan vähentää. Yleisesti käytetyissä bipolaarisissa piitehokomponenteissa johtumishäviöiden kasvulla ja kytkentähäviöiden vähenemisellä on päinvastaiset vaikutukset. Unipolaarisen komponentin ei tarvitse tehdä bipolaaristen komponenttien kaltaista kompromissia johtumis- ja kytkentähäviöiden välillä. Tämän seurauksena kytkentähäviöitä voidaan vähentää samalla minimoiden johtumishäviöt.

Virtakiskon tehohäviöitä voidaan vähentää merkittävästi WBG-tehoelektroniikan avulla. Tämän seurauksena sähköverkosta otetaan vähemmän energiaa, ja sitä palautetaan enemmän hyötyjarrutuksen kautta. WBG-komponentit tarjoavat paremman hyötysuhteen lisäksi myös muita etuja, jotka merkittävästi auttavat rautatieliikennettä, esimerkiksi:

• Painon vähenemisellä on merkittäviä vaikutuksia hyötysuhteeseen.
• Korkeampi toimintalämpötila mahdollistaa pienemmän jäähdytysjärjestelmän.
• Korkeampi kytkentätaajuus mahdollistaa pienemmät passiiviset mitat, mikä vähentää pää- ja apuinvertterien painoa. Invertteri ja moottori pystyvät reagoimaan tehontarpeeseen nopeammin korkeamman kytkentätaajuuden ansiosta. Tämä parantaa hyötysuhdetta. Ja lopuksi, koska korkeampi taajuus on hiljaisempi ja jäähdytystuulettimet voidaan sammuttaa, junat eivät tee rautatieasemista meluisia.

Merenkulku- ja ilmailusovellukset

Tehoelektroniikan innovaatiot ovat jo pitkään hyödyttäneet merenkulkualaa. Laivalla syötetään dieselmoottoreista käyttövoimansa saavien synkronisten generaattorien tuottamaa keskijännitteistä vaihtovirtaa eri kuormille. Näistä tärkeimmät ovat propulsiovoima (yhdistelmä AC-DC- ja DC-AC-muuntimia) ja muita kuormia.

Merenkulun viimeaikaisten trendien mukaan AC-sähkönjakeluverkot yritetään korvata DC-jakeluverkoilla. Tämä ratkaisu poistaa tarpeen synkronoida generaattorit AC-sähkönjakelua varten, mikäli ne voivat toimia vaihtelevilla nopeuksilla, jolloin voidaan saavuttaa polttoainesäästöjä. Toisaalta se vaatii tasasuuntaajapiirien (AC-DC-muuntimien) lisäämistä vaihtovirtageneraattorien ja DC-jakeluverkon välille.

Merenkulun propulsiovoiman taajuusmuuttajat ovat ratkaisevan tärkeitä komponentteja, joiden on toimittava erittäin luotettavasti. Niiden teholuokitus vaihtelee usein muutamasta watista muutamaan kymmeneen megawattiin. Nämä taajuusmuuttajat ovat usein tärkeimmät tehonmuuntolaitteet laivassa, jossa käytetään AC-sähkönjakelua. Siksi niiden korkea hyötysuhde on ratkaisevan tärkeä.

Jälleen kerran perinteisiä piipohjaisia tehokomponentteja ollaan korvaamassa SiC- ja GaN-komponenteilla, joiden hyötysuhde on parempi ja joiden koko ja paino ovat pienemmät. WBG-komponentit ohittavat pian piipohjaiset komponentit alan johtavana ratkaisuna ja tarjoavat uusimpia tehoelektroniikkaratkaisuja, jotka eivät ole mahdollisia piitä käyttävän teknologian avulla.

Tulevaisuuden turbiinikäyttöiset sähkögeneraattorit ovat hybridien ja kokonaan sähköisten ilmailun propulsiojärjestelmien ensisijainen käyttövoiman lähde. Generaattori ja moottori yhdistetään tämän jälkeen tehoelektroniikalla. Erittäin korkean tasavirtajännitteen virtakiskot ovat välttämättömiä riittävän tehon varmistamiseksi. Näiden virtakiskojen jännitteet voivat vaihdella kevyiden ajoneuvojen muutamasta kilovoltista lentokoneiden megavolttitasolle. Lisäksi korkean DC-jännitteen virtakisko mahdollistaa kestomagneetteja hyödyntävien synkronisten koneiden käytön generaattoreina, mikä vähentää loistehoa ja tehoelektroniikan teholuokitusta. Tehomuuntimet tarvitsevat generaattorin suuren pyörimisnopeuden vuoksi komponentteja, jotka pystyvät toimimaan korkeilla kytkentätaajuuksilla. Tämä johtaa pienempiin ja kevyempiin suodatinelementteihin.

Piikarbidi on lupaavin puolijohdinmateriaali, joka täyttää kaikki vaatimukset ja mahdollistaa samalla korkean muuntohyötysuhteen. Vastikään kehitetyt 3,3 kV:n ja 6,5 kV:n SiC MOSFET ‑transistorit ovat merkittäviä kiinnostuksen kohteita matalammilla tehoalueilla toimiville lentokoneille. Niitä voidaan käyttää myös modulaarisissa tehonmuunnintopologioissa täyttämään suurempien lentokoneiden korkeammat jännite-/tehovaatimukset.

Yhteenveto

Leveän energiaraon puolijohteet, kuten piikarbidi (SiC) ja galliumnitridi (GaN), tarjoavat useita etuja perinteisiin puolijohteisiin verrattuna, sillä ne mahdollistavat korkeammat jännitteet ja lämpötilat alhaisemmalla tehohäviöllä. Näiden ominaisuuksien vuoksi ne soveltuvat erityisen hyvin erilaisissa sovelluksissa käytettävään tehoelektroniikkaan, esimerkkinä liikenne.

WBG-puolijohteita käytetään liikennealalla paremmalla hyötysuhteella toimivien ja luotettavampien sähkö- ja hybridiajoneuvojen kehittämiseen. Leveän energiaraon puolijohteiden alhaisemmat tehohäviöt mahdollistavat korkeammat kytkentätaajuudet, mikä vähentää tehoelektroniikan kokoa ja painoa. Tämä voi puolestaan johtaa ajoneuvon pidempään toimintamatkaan, lyhyempiin latausaikoihin ja parempaan yleiseen suorituskykyyn.

Leveän energiaraon puolijohteet mahdollistavat myös pienempien ja hyötysuhteeltaan parempien voimansiirtojärjestelmien kehittämisen, mukaan lukien sähkö- ja hybridiajoneuvojen moottorit ja invertterit. Näiden komponenttien kokoa ja painoa pienentämällä ajoneuvojen suunnittelijat voivat vapauttaa tilaa muille komponenteille tai parantaa ajoneuvon yleistä aerodynamiikkaa.

Sähkö- ja hybridiajoneuvojen lisäksi leveän energiaraon puolijohteita käytetään myös muissa liikennemuodoissa, kuten lentokoneissa ja junissa. Näissä sovelluksissa leveän energiaraon puolijohteiden mahdollistamat korkeat lämpötilat ja korkeat jännitteet voivat parantaa tehoelektroniikan hyötysuhdetta ja luotettavuutta, mikä vähentää käyttökustannuksia ja parantaa turvallisuutta.