SiC在轨道交通中的应用

发布时间:2022/11/16 14:09:37

quan球主要国家和地区都已经宣布了“碳达峰”的时间表。在具体实现的过程中,轨道交通将是一个重要领域。由于用能方式近乎100%为电能,且带动大量基础设施建设,因此轨道交通的“碳达峰”虽然和工业的“碳达峰”路径有差异,但总体实现时间将较为接近。在中国,这个时间节点是2030年之前。


当然,“碳达峰”在每一个领域都有狭义和广义的区分,比如在工业领域,一方面是重点企业自身通过节能%2B绿电的方式实现“碳达峰”,另一方面也需要围绕重点企业的产业链上下游全面实现能耗降低。对于轨道交通也是如此,狭义层面的轨交工具,以及广义层面的所有配送电设施和其他基础建设,以及上下游产业链均需要实现“碳达峰”。


本文我们将重点介绍第三代半导体中的SiC(碳化硅)如何助力轨道交通完成“碳达峰”目标。


SiC在轨道交通中的应用

SiC和氮化镓(GaN)等是第三代半导体的代表材料。与di一二代半导体材料相比,SiC等第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的热导率、更高的电子饱和漂移速率及更高的抗辐射能力,因此特别适合高压、高频率场景,帮助相关领域提效降耗。


得益于SiC材料优异的电气性能,SiC功率器件成为半导体厂商布局的热门赛道,从厂商属性来看,主要以IDM类型厂商为主。综合而言,SiC功率器件主要分为两大类,分别是SiC功率二极管和SiC功率晶体管。其中SiC功率二极管又会包括肖特基二极管和PiN二极管;SiC功率晶体管则主要是SiC MOSFET、SiC JFET、SiC IGBT和SiC晶闸管。从目前的产品发展情况来看,SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的商业化水平zui高。


更深入地看,SiC肖特基二极管是当前速度zui快的高压肖特基二极管,在实际的开关应用中,SiC肖特基二极管反向恢复时间为零,可以大幅提升开关频率,并且开关特性不受结温的影响。SiC肖特基二极管能够显着降低开关损耗,帮助打造更高功率密度的整体方案。此外,SiC肖特基二极管正向压降(Vf)为温度特性,易于并联。

作为传统Si IGBT的潜力替代选项,SiC MOSFET同样具有不胜枚举的性能优势,我们在此简单列举几项。比如,SiC的介电击穿场强大约是Si的10倍,因而SiC MOSFET具有高耐压和低压降的特性,在相同耐压条件下,SiC MOSFET比Si IGBT的导通损耗更低,同时器件尺寸更小;MOSFET原理上不产生尾电流,因而SiC MOSFET比Si IGBT有着更低的开关损耗,能够打造更高功率密度的系统方案,且能够工作于更高频的场景下;此外,SiC MOSFET更利于方案厂商进行小型化和轻量化设计。


凭借着优异的产品特性,SiC功率器件市场发展迅速。根据市场分析机构Omdia的统计数据,2019年quan球SiC功率器件市场规模为8.9亿美元,受益于轨交、新能源汽车、光伏等下游市场的需求量不断提升,预计到2024年quan球SiC功率器件市场规模将达26.6亿美元,年均复合增长率达到24.5%。

在轨道交通领域,牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等环节均可用到SiC功率器件。比如在轨道交通的电力牵引系统中,牵引变流器是其中的he心器件,相较于机车大功率交流传动系统过往使用IGBT,采用SiC功率器件替代后,整体方案在高温、高频和低损耗等技术参数方面得到显着改善。并且,SiC功率器件可以在更高的频率下切换,系统中的变压器、电容、电感等无源器件的数量和体积明显减小,改善了整体方案的体积和重量,提升轨交机车的能效水平。


未来,中国以及quan球的轨道交通的电气系统将呈现高频化、小型化、轻量化、集成化、大功率化、高功率密度化的典型趋势,凭借着器件本身和拓扑结构等方面的优势,SiC功率器件在轨道交通中的应用前景光明且广阔。


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