作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 北美編輯

整個交通運輸行業正在經歷一場徹底的變革，內燃機 (ICE) 汽車逐漸讓位于污染更少的電動汽車和混合動力汽車，以及更清潔的公共交通解決方案（火車、飛機和輪船）。為了控制溫室氣體 (GHG) 排放并減緩全球變暖，我們需要既能最大限度提高效率，又能減少環境影響的解決方案。

寬帶隙 (WBG) 半導體具備多種特性，使得其對交通運輸應用具有很大吸引力。使用這些半導體可以打造更高效、更快速、更輕巧的汽車，增加續航里程，減少環境影響。

WBG 材料的特性

由于寬帶隙材料比常用的硅 (Si) 更具優勢，它們正在迅速改變電力電子器件市場。硅的帶隙為 1.1 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。這意味著它們能夠在更高的溫度和電壓下工作，從而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) 這兩種最流行的 WBG 材料與硅相比的主要特性。

| | 特性 | SI | SIC | GAN |
| ------------------------ | ------------- | --------------- | --------------- |
| 帶隙能量 (eV) | 1.1 | 3.2 | 3.4 |
| 擊穿電場 (MV/cm2) | 0.3 | 3.5 | 3.3 |
| 電子遷移率 (cm2/V?s) | 1500 | 900 | 900-2000 |
| 電子飽和速度 (cm/s) | 1 ? 10^7^ | 2.2 ? 10^7^ | 2.5 ? 10^7^ |
| 導熱率 (W/cm?K) | 1.5 | 5.0 | 1.3 |
| 介電常數 | 11.8 | 10 | 8.9 |

表 1：硅、SiC 和 GaN 的特性比較。

與硅基同類產品相比，[SiC 功率器件]的主要優勢如下：

• 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。這種特性可以實現更高的開關頻率和更低的損耗，從而減少無源元器件和磁體
• 低傳導損耗：由于沒有雙極結，SiC 器件還可以減少輕載或部分負載運行時的損耗
• 高工作溫度：與硅相比，碳化硅具有優良的熱性能。SiC 在廣泛的溫度范圍內表現出低漏電流，允許工作溫度超過 200°C。這一特性使得其可以采用簡化的冷卻方案并實現出色的熱管理
• 本征體二極管：得益于這種特性，SiC MOSFET 可以在第三象限的二極管模式下工作，從而在電源應用中提供出色的性能

結合上述特性，就可以得到具有更高功率密度、效率、工作頻率和更緊湊外形的 SiC 器件。

與基于硅和 SiC 的同類產品相比，[GaN 功率器件]的主要優勢如下：

• 即便沒有本征體二極管，GaN 器件也能工作在第三象限，而不產生反向恢復電荷。因此沒有必要使用反并聯二極管
• 較低的柵極電荷 QG 和導通電阻 R DS(ON) ，可以轉化為更低的驅動損耗和更快的開關速率
• 零反向恢復，可降低開關損耗并減少 EMI 噪聲
• 高 dv/dt：GaN 器件可在很高的頻率下開關，與具有相近 RDS(ON) 的 SiC MOSFET 相比，導通速度快 3 倍，關斷速度快 1 倍

WBG 器件的應用

正如圖 1 所重點強調的，在某些應用中，SiC 和 GaN 器件提供最好的性能，而在其他應用中，它們的特性與硅器件相仿。通常，GaN 器件是高頻應用的最佳選擇，而 SiC 器件在高壓應用中具有很高的潛力。

圖 1：硅、SiC 和 GaN 器件的潛在應用。（來源：[Infineon]）

混合動力和電動汽車

混合動力汽車/電動汽車 (H/EV) 使用多個電力電子系統，將電網或發動機的能量轉化為適合為電機和輔助設備供電的形式。大多數混合動力汽車/電動汽車還使用再生制動，通過車輪帶動發電機轉動，為電池充電。

牽引逆變器是這些車輛的關鍵部件，將來自電池的直流高壓轉換為交流電，為三相電機供電（參見圖 2）。由于涉及到高功率，SiC 器件是此類應用的首選，其額定電壓為 650V 或 1.2kV，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，支持小尺寸解決方案。

圖 2：混合動力汽車/電動汽車的主要部件。（來源：[ROHM Semiconductor]）

車載充電器 (OBC) 連接到電網，將交流轉換為直流電壓，為電池充電。OBC 的輸出功率通常介于 3.3 kW 到 22 kW 之間，并依賴于高壓（600 V 以上）功率器件。雖然 SiC 和 GaN 都適合這種應用，但 GaN 器件的特性，如高開關頻率、低傳導損耗、更小的重量和尺寸，使其成為實現 OBC 的理想解決方案。

WBG 在混合動力汽車/電動汽車領域的另一個應用是低壓 (LV) DC-DC 轉換器，負責將電池電壓（混合動力汽車為 200V，電動汽車為 400V 以上）降至為輔助系統供電所需的 12V/48V 直流電壓。該低壓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 總結了硅、SiC 和 GaN 器件如何滿足前面提到的混合動力汽車/電動汽車應用的要求。

| | 類型 | 車載充電器 | 逆變器和高壓轉換器 | 低壓轉換器 |
| ------------ | --------------------- | --------------------------- | --------------------- |
| 功率 | 3.3 kV > | 12 kW 至 400 kW | 1 kW 至 10 kW |
| 輸入電壓 | 120 V 至 240 V | 200 V 至 400 V | 200 V 至 400 V |
| 輸出電壓 | 200 V 至 400 V | 100 V 至 650 V | 12 V 至 48 V |
| 硅的效率 | 85% 至 93% | 83% 至 95% | 85% 至 90% |
| SiC 的效率 | 95% 至 96% | 96% 至 97% | 96% 至 99% |
| GaN 的效率 | 94% 至 98% | 不適用 | 95% 至 99% |
| 功率器件 | 分立
600 V 至 900 V | 分立/模塊
600 V 至 1200 V | 分立
600 V 至 900 V |

表 2：WBG 材料在混合動力汽車/電動汽車中的應用，以及與硅的性能比較。

鐵路運輸

電動火車通過懸鏈線或第三軌從電網獲取電力，并將其轉換為適合電機和輔助系統使用的形式。如果火車使用交流線路供電，變壓器和整流器必須將電壓降低并調節為直流。然后，直流電壓被分離并通過逆變器輸送，以滿足輔助和牽引系統的需求。

牽引逆變器將直流電轉化為交流電（為電機供電），并重新調節再生制動產生的電力。因此，轉換器被設計為運行雙向電流。而輔助逆變器為冷卻系統、乘客舒適設施及其他與運動無關的需求提供電力。

牽引逆變器內電力電子設備的大小取決于列車的類型：

• 軌道交通列車：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

然而，大多數列車使用 3.3 kV 或 1.7 kV 的電力設備。

再生制動可將部分電力返回到本地電網、鐵路配電系統或儲能系統，這使得系統比前述應用中的系統更為復雜。再生的能量必須立即儲存或使用，否則就會損失。

傳統上用于鐵路牽引應用的電源模塊的雙極硅基 IGBT 和續流二極管可以替換為單極 SiC MOSFET 和二極管，從而提高開關頻率和功率密度。

為了減少鐵路牽引應用中使用的電力電子設備的重量和體積，必須減少傳導和開關損耗，并提高最高結溫。對于廣泛使用的雙極硅功率器件，增加傳導損耗和減少開關損耗的效果相反。單極器件不像雙極器件那樣需要在傳導和開關損耗之間進行權衡。因此，它可在減少開關損耗的同時最大限度地減少傳導損耗。

使用 WBG 電力電子器件，可以顯著減少電氣軌道的功率損耗。因此，使用的電網電能將減少，而通過再生制動返回的電能將增加。除提高效率外，WBG 器件還具備其他優點，能夠為鐵路運輸帶來很大幫助，例如：

• 減輕了重量，從而顯著影響效率
• 工作溫度更高，允許使用更小的冷卻系統
• 提高了開關頻率，可以減少無源器件尺寸，從而降低牽引和輔助逆變器的重量。得益于更高的開關頻率，逆變器和電機可以更快速地響應需求的變化，從而提高效率。最后，由于在較高頻率下工作聲音較小，而且冷卻風扇可以關閉，因此當火車行駛時，火車站的噪音更小。

海洋和航空應用

長期以來，電力電子技術的創新已經使海洋產業受益。在輪船上，由柴油發動機驅動的同步發電機產生中壓交流電，用于驅動各種負載。這些負載主要包括推進裝置（混合使用 AC-DC 和 DC-AC 轉換器）以及其他一些負載。

海洋產業的最新趨勢是試圖用直流配電網取代交流配電網。這種解決方案讓發電機無需與交流配電同步，而只需在可變速度下運行，并且實現了燃料的節約。另一方面，它需要在交流發電機和直流配電網之間引入整流器電路（AC-DC 轉換器）。

船用推進變速驅動器是船舶的關鍵部件，必須有極高的運行可靠性。它們的額定功率通常從幾瓦到幾十兆瓦不等。通常情況下，這些驅動器是采用交流配電網的船舶中最重要的電源轉換模塊。因此，它們的高效工作至關重要。

傳統的硅基功率器件再一次被 SiC 和 GaN 器件取代，后者在提高效率的同時，還能減小尺寸和重量。WBG 器件將很快取代硅基器件成為行業主流，帶來硅技術無法實現的先進電力電子系統解決方案。

未來由燃料渦輪機驅動的發電機將成為混合動力和全電動航空推進系統的主要動力。隨后將使用電力電子器件來連接發電機和電機。為了確保提供足夠的電力，必須使用高壓直流母線。這些目前的電壓范圍各不相同，從輕型車輛上的幾千伏到飛機上的中壓范圍。此外，高壓直流母線讓我們能夠使用永磁同步電機作為發電機，這樣可以降低無功功率以及電力電子器件的額定值。由于發電機轉速快，電源轉換器需要能夠在高開關頻率下運行的設備，這就導致濾波器元件體積更小、重量更輕。

碳化硅是最有前景的半導體器件，在滿足所有要求的同時，還能確保高轉換效率。對于低功率范圍的飛機，新開發的 3.3 kV 和 6.5 kV SiC MOSFET 器件具有重要的意義。這些器件還可在模塊化電源轉換器拓撲結構中使用，以滿足大型飛機的更高電壓/功率要求。

總結

與傳統半導體相比，寬帶隙半導體，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，在處理高電壓和高溫度的能力和降低功率損耗方面具備諸多優勢。這些特性使它們特別適合用于交通運輸等應用中的電力電子設備。

WBG 半導體在運輸業中得到廣泛應用，以開發更高效和更可靠的電動和混合動力汽車。寬帶隙半導體的功率損耗較低，可以實現更高的開關頻率，降低電力電子設備的尺寸和重量。這反過來又能使車輛續航里程增加，充電速度加快，整體性能提高。

寬帶隙半導體還讓我們能夠開發更加緊湊和高效的動力系統，包括電動汽車和混合動力汽車的電機驅動器和逆變器。通過減少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。

除了電動汽車和混合動力汽車之外，寬帶隙半導體還被用于其他運輸方式，如飛機和火車。在這些應用中，寬帶隙半導體的高溫和高壓能力可以提高電力電子設備的效率和可靠性，從而降低運行成本，提高安全性。