A széles tiltott sávú félvezetők átalakítják a közlekedés világát

A teljes közlekedési ágazat gyökeres átalakuláson megy keresztül, a belső égésű motorral hajtott járművek fokozatosan átadják a helyüket a kevésbé szennyező hibrid és villanygépjárműveknek, valamint a tisztább tömegközlekedési megoldásoknak (vonatok, repülőgépek és hajók). Az üvegházhatású gázok (greenhouse gas, GHG) kibocsátásának megfékezéséhez és a globális felmelegedés mérsékléséhez olyan módszerekre van szükség, amelyek képesek maximálisra növelni a hatásfokot és csökkenteni a környezeti hatásokat.

A széles tiltott sávú (wide bandgap, WBG) félvezetőknek számos olyan tulajdonságuk van, amelyek vonzóvá teszik őket a közlekedés különböző területein való felhasználásra. Használatuk jobb hatásfokú, gyorsabb és könnyebb járműveket eredményezhet, amelyeknek nagyobb a hatótávolságuk, és kisebb környezeti terhelést jelentenek.

A széles tiltott sávú félvezetők tulajdonságai

A széles tiltott sávú félvezetők az elterjedten használt szilíciummal (Si) szembeni előnyeik miatt gyorsan átalakítják a teljesítményelektronika területét. Míg a szilícium tiltott sávja 1,1 eV (elektronvolt), addig a széles tiltott sávú anyagoké 2–4 eV. Ezenkívül a legtöbb széles tiltott sávú félvezető átütési villamoserőtér-feszültsége lényegesen nagyobb, mint a szilíciumé. Ez azt jelenti, hogy lényegesen magasabb hőmérsékleten és feszültségen működhetnek, nagyobb teljesítményt és kisebb veszteségeket téve lehetővé. Az 1. táblázat a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN), a két legnépszerűbb széles tiltott sávú félvezető főbb tulajdonságait sorolja fel a szilíciuméival összevetve.

1. táblázat: A Si, a SiC és a GaN tulajdonságainak összehasonlítása

A SiC alapú tápegységek fő előnyei szilíciumalapú ellenpárjaikkal szemben a következők:

• Kis kapcsolási veszteségek: A SiC MOSFET-ek egypólusú eszközök, amelyek nagyon kis nyitási és zárási veszteségeket mutatnak. Ez a tulajdonságuk lehetővé teszi nagyobb kapcsolási frekvenciák használatát kisebb veszteségek mellett, aminek következtében lehetőség van a passzív alkatrészek és a mágnesek méretének csökkentésére.
• Kis vezetési veszteségek: A bipoláris (pn-) átmenet hiánya miatt a SiC eszközök csökkenthetik a veszteségeket a kis terhelésű és a részterheléses üzem során is.
• Magas üzemi hőmérséklet: A szilícium-karbid a szilíciumhoz képest kiváló termikus tulajdonságokkal rendelkezik. A SiC-ot széles hőmérséklet-tartományban kis szivárgási áram jellemzi, lehetővé téve a 200 °C feletti működést. Az egyszerűbb hűtés és a kiváló hőkezelés ennek a tulajdonságnak a következménye.
• A szerkezeti felépítés miatti belső dióda: Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a SiC MOSFET-ek képesek a harmadik síknegyedben (kvadránsban) diódaként működni, ami kiváló teljesítményt eredményez az áramátalakító berendezésekben.

A fenti tulajdonságok kombinálása lehetővé teszi nagyobb teljesítménysűrűségű, jobb hatásfokú, nagyobb működési frekvenciájú és kisebb alapterületű SiC eszközök előállítását.

A GaN alapú tápegységek fő előnyei Si- és SiC-alapú ellenpárjaikkal szemben a következők:

• A GaN eszközök a harmadik síknegyedben záróirányú töltésmennyiség nélkül működhetnek, annak ellenére, hogy nincs bennük a szerkezeti felépítés miatti belső dióda. Ennek eredményeképpen nincs szükség antiparalel (párhuzamos, de ellentétes irányban bekötött) diódára.

• Kis Q_G kaputöltés és R_DS(ON) nyitóirányú ellenállás, ami kisebb vezérlési veszteségeket eredményez és nagyobb kapcsolási sebességet tesz lehetővé.
• Nulla záróirányú áram, ami kisebb kapcsolási veszteségeket és kevesebb elektromágneses zavarási zajt eredményez
• Nagy dv/dt érték: A GaN nagyon nagy frekvencián képes kapcsolni, és négyszer gyorsabban nyit és kétszer gyorsabban zár, mint a hasonló R_DS(ON) nyitóirányú ellenállású SiC MOSFET-ek.

A széles tiltott sávú eszközök felhasználási területei

Amint az 1. ábrán látható, vannak olyan felhasználási területek, ahol a SiC és a GaN nyújtja a legjobb teljesítményt, és vannak olyanok, ahol jellemzőik átfedik a szilíciuméit. Gyakran a GaN eszközök a nagyfrekvenciás áramkörökben jelentik a legjobb választást, míg a SiC eszközök nagy feszültségek esetén uralják a terepet.

1. ábra: A Si, SiC és GaN eszközök lehetséges felhasználási területei (forrás: Infineon)

Hibrid és villanyjárművek

A hibrid és villanyjárművek (H/EV, hybrid/electric vehicle) többféle teljesítményelektronikai rendszert használnak a villamos hálózatból vagy a robbanómotortól nyert energiának a villanymotor és a segédberendezések működtetésére alkalmas formába történő átalakítására. A legtöbb hibrid és villanyjármű visszatápláló (idegen szóval regeneratív) fékezést is használ, amelynek során a kerekek forgatják a generátort, így töltve az akkumulátort.

A hajtásinverter kulcsfontosságú részegység ezekben a járművekben, ez alakítja át az akkumulátoroktól kapott nagy egyenfeszültséget a háromfázisú villanymotor hajtásához szükséges váltakozó feszültséggé (lásd: 2. ábra). A nagy teljesítmény miatt ezen a felhasználási területen előnyt élveznek a SiC eszközök, amelyek 650 V vagy 1,2 kV névleges feszültségűek, az inverter áramköri kialakításától függően. A SiC használatával csökkenthetők a veszteségek, a méret és a tömeg, lehetővé téve a kis helyigényű megoldásokat.

2. ábra: A hibrid és villanyjárművek fő részegységei (forrás: ROHM Semiconductor)

A fedélzeti töltő (OBC, onboard charger) a hálózatra kapcsolódik, és a váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé alakítja az akkumulátor töltéséhez. A fedélzeti töltő kimenőteljesítménye általában 3,3 kW és 22 kW között van, és nagyfeszültségű (600 V vagy magasabb) tápegységekre támaszkodik. Bár a SiC és a GaN egyaránt alkalmas erre a felhasználási területre, a GaN tulajdonságai, például a nagy kapcsolási frekvencia, a kis vezetési veszteségek, valamint a kisebb tömeg és méret ideális megoldássá teszik fedélzeti töltők gyártására.

A széles tiltott sávú anyagok másik felhasználási területe a hibrid és villanyjárművekben a kisfeszültségű (LV, low voltage) egyenáram-átalakító, amely az akkumulátor feszültségét (200 V a hibrid villanyjárművekben (HEV), 400 V felett a villanyjárművekben) a segédrendszerek áramellátásához szükséges 12 V/48 V egyenfeszültségre csökkenti. A jellemzően 1 kW-nál kisebb teljesítményű kisfeszültségű átalakító GaN és SiC eszközökkel nagyobb frekvenciákon is képes működni.

A 2. táblázat azt foglalja össze, hogy a Si, a SiC és a GaN hogyan felel meg a korábban említett, a hibrid és villanyjárművekben szóba jöhető felhasználási területek követelményeinek.

2. táblázat: Széles tiltott sávú anyagok használata hibrid és villanyjárművekben és teljesítményük összehasonlítása a Si-mal

Vasúti közlekedés

A villanymozdonyok a hálózatból felsővezetéken vagy harmadik sínen át kapják az áramot, és azt a villanymotorok és a segédrendszerek számára megfelelő formába alakítják át. Ha a vonat váltakozó áramú hálózatról működik, akkor egy transzformátornak és egy egyenirányítónak kell a feszültséget egyenfeszültséggé alakítania és formálnia. Az egyenfeszültséget ezután felosztják, majd invertereken keresztül továbbítják, hogy kiszolgálják a hajtó- és segédrendszerek igényeit.

A hajtásinverter az egyenáramot váltakozó árammá alakítja a villanymotorok hajtásához, és a visszatápláló fékezéssel termelt villamos energiát újraformálja. Ennélfogva ezt az átalakítót kétirányú energiaáramlásra tervezték. Emellett a segédinverter a hűtőrendszerek, az utaskényelmi berendezések és más nem a hajtással kapcsolatos rendszerek számára biztosít áramot.

A hajtásinverteren belüli teljesítményelektronika mérete a mozdony osztályától függ:

• Településen belüli járatokra szolgáló mozdonyok: 1,2 kV-tól 2,5 kV-ig
• Helyiérdekű vasúti mozdonyok: 1,7 kV-tól 3,3 kV-ig
• Helyközi közlekedésre szolgáló mozdonyok: 3,3 kV felett

A legtöbb mozdony azonban 3,3 kV vagy 1,7 kV feszültséget használ.

A visszatápláló fékezés, amely a villamos energia egy részét visszavezeti a helyi hálózatba, a vasúti áramelosztó vagy az energiatároló rendszerbe, bonyolultabbá teszi a rendszert, mint a korábban említett felhasználási területeken használt megoldások. A visszatáplált energiát azonnal tárolni kell, vagy fel kell használni, különben elveszik.

A vasúti vontatási felhasználási területeken hagyományosan használt Si-alapú szigetelt kapus bipoláris tranzisztorok (IGBT-k) és szabadonfutó diódák helyettesíthetők egypólusú SiC-alapú MOSFET-ekkel és diódákkal, így növelve a kapcsolási frekvenciát és a teljesítménysűrűséget.

A vasúti vontatás területén használt teljesítményelektronikai berendezések tömegének és térfogatának csökkentése érdekében csökkenteni kell a vezetési és kapcsolási veszteségeket, és növelni kell a pn-átmenetek megengedett legnagyobb hőmérsékletet. A széles körben használt szilíciumalapú bipoláris teljesítményelektronikai eszközök esetében a növekvő vezetési veszteségek és a csökkenő kapcsolási veszteségek ellentétes hatást fejtenek ki. Az egypólusú eszközöknél nem tapasztalható az a vezetési és kapcsolási veszteségek közötti kompromisszum, ami a bipoláris eszközöknél. Ennek eredményeképpen a kapcsolási veszteségek csökkenthetők, miközben a vezetési veszteségek is minimalizálhatók.

A széles tiltott sávú eszközökre épülő teljesítményelektronikával drasztikusan csökkenthetők az áramsínekben fellépő energiaveszteségek. Ennek eredményeképpen kevesebb energiát kell majd a villamos hálózatból kivonni, és több energiát nyerünk vissza a visszatápláló fékezéssel. A széles tiltott sávú eszközök további előnyöket is kínálnak, amelyek a hatásfok növelése mellett is jelentősen segítik a vasúti közlekedést, ilyenek például az alábbiak:

• A kisebb tömeg jelentős hatással van a hatásfokra
• A magasabb üzemi hőmérséklet kisebb hűtőrendszert tesz lehetővé
• A nagyobb kapcsolási frekvencia kisebb passzívalkatrész-méreteket tesz lehetővé, ami csökkenti a hajtás- és segédinverterek tömegét Az inverter és a villanymotor a nagyobb kapcsolási frekvenciának köszönhetően gyorsabban tud reagálni az igények változásaira, ami növeli a hatásfokot. Végül, mivel a magasabb frekvencia kevésbé hallható, és a hűtőventilátorok esetenként kikapcsolhatók, a vasútállomások kevésbé lesznek zajosak, ha vonatok állnak bent.

Hajózási és repülési felhasználási területek

A teljesítményelektronikai újítások már régóta előnyökkel járnak a hajózási ágazatban is. A hajón a dízelmotorokkal hajtott szinkrongenerátorok szolgáltatta közepes váltakozó feszültségű villamos energiát különböző fogyasztók kapják. Ezek közé tartoznak elsősorban a hajtó villanymotorok (egyenirányítós (váltakozó áramot egyenárammá alakító, AC–DC) és inverteres (egyenáramot váltakozó árammá alakító, DC–AC) áramátalakítók elegye szükséges hozzájuk) és egyéb terhelések.

A hajózási ágazatban a legújabb trendet a váltakozó áramú villamos elosztóhálózatok egyenáramú elosztóhálózatokra történő cseréjére tett kísérletek jelentik. Ez a megoldás kiküszöböli a generátorok váltakozó áramú elosztóhálózathoz való szinkronizálásának szükségességét. Ekkor a generátorok változó fordulatszámon működhetnek, ami tüzelőanyag-megtakarítást eredményez. Másrészt viszont egyenirányító áramkörök (AC–DC átalakítók) bevezetését teszi szükségessé a váltakozó áramú generátorok és az egyenáramú elosztóhálózat között.

A hajók hajtására szolgáló változó fordulatszámú hajtóművek kulcsfontosságú hajóalkatrészek, amelyeknek rendkívül megbízhatóan kell működniük. A névleges teljesítményük gyakran néhány wattól néhány tíz megawattig terjed. A váltakozó áramú áramelosztással rendelkező hajókon gyakran ezek a hajtóművek a legjelentősebb teljesítményátalakító blokkok. Ezért kulcsfontosságú, hogy nagyon jó legyen a hatásfokuk.

A hagyományos szilíciumalapú teljesítményelektronikai eszközöket itt is SiC és GaN eszközök váltják fel, amelyek javítják a hatásfokot, és egyúttal csökkentik a méretet és a tömeget. A széles tiltott sávú eszközök hamarosan átveszik a Si-alapú eszközök helyét iparági piacvezetőként, olyan élvonalbeli teljesítményelektronikai rendszereket kínálva, amelyeket szilíciumalapú technikával nem lehetne elérni.

A jövőben a hibrid és tisztán villanyhajtású repülőgépek motorjait/hajtóműveit tüzelőanyaggal működő gázturbinával hajtott villamos generátorok látják majd el energiával. Ezt követően teljesítményelektronikát használnak a generátor és a villanymotor összekapcsolására. Ahhoz, hogy elegendő teljesítmény álljon rendelkezésre, nagyon nagy egyenfeszültségű sínekre van szükség. Ezeknek a síneknek a feszültsége a könnyű légi járművekhez szükséges néhány kV-tól a nagyobb repülőgépekhez szükséges több MV-os tartományig terjedhet. A nagy egyenfeszültségű sín lehetővé teszi továbbá, hogy állandó mágneses szinkrongépeket használjunk generátorokként, ami csökkenti a meddő teljesítményt, és kisebb névleges teljesítményű teljesítményelektronika használatát teszi lehetővé. Az áramátalakítókban olyan berendezésekre van szükség, amelyek a generátorok nagy fordulatszáma miatt képesek nagy kapcsolási frekvencián működni, ami pedig kisebb és könnyebb szűrőelemeket eredményez.

A szilícium-karbid a legígéretesebb félvezető eszköz, amely minden követelménynek megfelel, miközben jó áramátalakítási hatásfokot tesz lehetővé. A kisebb teljesítményű légi járművek esetében az újonnan létrehozott 3,3 kV-os és 6,5 kV-os SiC MOSFET eszközök jelentős érdeklődésre tartanak számot. Ezek modulrendszerű áramátalakító áramkörökben is használhatók, hogy megfeleljenek a nagyobb légi járművek nagyobb feszültség- és teljesítményigényeinek.

Összegzés

A széles tiltott sávú félvezetők – például a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) – számos előnyt kínálnak a hagyományos félvezetőkkel szemben, mivel kisebb teljesítményveszteség mellett képesek nagy feszültségeket kezelni és magas hőmérsékleten működni. Ezek a tulajdonságok különösen alkalmassá teszik őket a különböző felhasználási területeken, többek között a közlekedésben szükséges teljesítményelektronikában való használatra.

A széles tiltott sávú félvezetőket a közlekedési ágazatban jobb hatásfokú és megbízhatóbb hibrid és villanyjárművek kifejlesztésére használják. A széles tiltott sávú félvezetők kisebb teljesítményvesztesége nagyobb kapcsolási frekvenciákat tesz lehetővé, ami csökkenti a teljesítményelektronika méretét és tömegét. Ez viszont nagyobb hatótávolságot, rövidebb töltési időt és jobb általános teljesítményt eredményezhet.

A széles tiltott sávú félvezetők lehetővé teszik kisebb méretű és jobb hatásfokú hajtásláncok kifejlesztését is, beleértve a villanyjárművek (EV, electric vehicle) és hibrid villanyjárművek (HEV, hybrid electric vehicle) villanymotoros hajtását és invertereit. Ha csökken ezeknek az alkatrészeknek a mérete és a tömege, a járműtervezők helyet szabadíthatnak fel más részegységek számára, vagy javíthatják a jármű általános aerodinamikáját.

A villanyjárművek és hibrid villanyjárművek mellett a széles tiltott sávú félvezetőket más közlekedési eszközökben, például repülőgépekben és mozdonyokban is használják. Ezeken a felhasználási területeken a széles tiltott sávú félvezetők magas hőmérsékleten való viselkedése és nagyfeszültség-kezelő képességei javíthatják a teljesítményelektronika hatásfokát és megbízhatóságát, ami kisebb üzemeltetési költségeket és nagyobb biztonságot eredményez.