Wide bandgap-halfgeleiders hervormen de transportwereld

De hele transportsector ondergaat een radicale transformatie, waarbij voertuigen met verbrandingsmotor geleidelijk plaats maken voor minder vervuilende elektrische en hybride auto's en schonere oplossingen voor massatransport (treinen, vliegtuigen en schepen). Om de uitstoot van broeikasgassen (BKG) binnen de perken te houden en de opwarming van de aarde te beperken, zijn oplossingen nodig die de efficiëntie maximaliseren en de milieueffecten verminderen.

Wide bandgap-halfgeleiders (WBG) hebben verschillende eigenschappen die hen aantrekkelijk maken voor transporttoepassingen. Het gebruik ervan kan leiden tot efficiëntere, snellere en lichtere voertuigen met een grotere actieradius en minder milieueffecten.

Eigenschappen van WBG-materialen

Materialen met een brede bandbreedte transformeren snel de vermogenselektronica vanwege hun voordelen ten opzichte van het algemeen gebruikte silicium (Si). Terwijl silicium een bandkloof van 1,1 elektronvolt (eV) heeft, hebben WBG-materialen een bandkloof van 2 tot 4 eV. Bovendien is het doorslagelektrisch veld van de meeste WBG-halfgeleiders aanzienlijk hoger dan dat van silicium. Dat betekent dat zij kunnen werken bij aanzienlijk hogere temperaturen en spanningen, waardoor hogere vermogens en lagere verliezen ontstaan. Tabel 1 geeft een overzicht van de belangrijkste eigenschappen van siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), de twee populairste WBG-materialen, in vergelijking met silicium.

Tabel 1: Vergelijking van de eigenschappen van Si, SiC en GaN.

De belangrijkste voordelen van SiC-voedingsapparaten, vergeleken met op silicium gebaseerde tegenhangers, zijn de volgende:

• Lage schakelverliezen: SiC MOSFET's zijn unipolaire apparaten met zeer lage inschakel- en uitschakelverliezen. Deze eigenschap maakt hogere schakelfrequenties met lagere verliezen mogelijk, waardoor het gebruik van passieve componenten en magnetisme kan worden beperkt.
• Lage geleidingsverliezen: door de afwezigheid van een bipolaire junctie kunnen SiC-apparaten ook de verliezen bij licht- of deelbelasting verminderen.
• Hoge bedrijfstemperaturen: siliciumcarbide biedt superieure thermische eigenschappen in vergelijking met silicium. SiC vertoont lage lekstromen over een breed temperatuurbereik, waardoor werking boven 200 °C mogelijk is. Vereenvoudigde koeling en uitstekend thermisch beheer zijn een gevolg van deze eigenschap
• Intrinsieke lichaamsdiode: dankzij deze eigenschap kunnen SiC MOSFET's in diodemodus werken in het derde kwadrant, wat uitstekende prestaties oplevert in vermogenstoepassingen.

Door de bovengenoemde eigenschappen te combineren kunnen SiC-apparaten worden verkregen met een hogere vermogensdichtheid, efficiëntie, operationele frequenties en een kleinere voetafdruk.

De belangrijkste voordelen van GaN-voedingsapparaten, in vergelijking met Si en SiC tegenhangers, zijn de volgende:

• GaN-apparaten kunnen werken in het derde kwadrant zonder omgekeerde herstellast, ook al hebben zij geen intrinsieke lichaamsdiode. Bijgevolg is er geen antiparallelle diode nodig.

• Lage poortbelasting Q_G en inschakelweerstand R_DS(ON), die zich vertalen in lagere aandrijvingsverliezen en snellere schakelsnelheden.
• Zero reverse recovery, wat resulteert in lagere schakelverliezen en minder EMI-ruis
• Hoge dv/dt: GaN kan bij zeer hoge frequenties schakelen en heeft een 4x snellere turn-on en 2x snellere turn-off dan SiC MOSFET's met vergelijkbare R_DS(ON).

Toepassingen van WBG-apparaten

Zoals uit Afbeelding 1 blijkt, zijn er toepassingen waar SiC en GaN de beste prestaties leveren en andere waar hun kenmerken die van silicium overlappen. Vaak zijn GaN-apparaten de beste keuze voor hoogfrequente toepassingen, terwijl SiC-apparaten een hoog potentieel hebben bij hoge spanningen.

Afbeelding 1: Potentiële toepassingen van Si, SiC en GaN-apparaten. (Bron afbeelding: Infineon)

Hybride en elektrische voertuigen

H/EV's gebruiken verschillende vermogenselektronicasystemen om energie van het net of de motor om te zetten in een vorm die geschikt is voor de aandrijving van motor- en hulpapparatuur. De meeste H/EV's maken ook gebruik van regeneratief remmen, waarbij de wielen de generator laten draaien om de accu op te laden.

De tractie-inverter is een cruciaal onderdeel van deze voertuigen en zet de gelijkstroomhoogspanning van de batterijen om in wisselstroom voor de aandrijving van de driefasenmotor (zie Afbeelding 2). Wegens het hoge vermogen dat ermee gemoeid is, wordt in deze toepassing de voorkeur gegeven aan SiC-apparaten, met een rating van 650 V of 1,2 kV, afhankelijk van de topologie van de inverter. SiC helpt verliezen, omvang en gewicht te beperken, waardoor oplossingen met kleine vormfactoren mogelijk zijn.

Afbeelding 2: Belangrijkste onderdelen van een H/EV. (Bron afbeelding: ROHM Halfgeleider)

De onboard charger (OBC) maakt verbinding met het net en zet wisselspanning om in gelijkspanning om de accu op te laden. Het uitgangsvermogen van OBC ligt gewoonlijk tussen 3,3 kW en 22 kW en is afhankelijk van hoogspanningsapparatuur (600 V en hoger). Hoewel zowel SiC als GaN geschikt zijn voor deze toepassing, maken de kenmerken van GaN, zoals een hoge schakelfrequentie, lage geleidingsverliezen en een geringer gewicht en formaat, het de ideale oplossing voor de implementatie van OBC's.

Een andere toepassing van WBG in H/EV's is de laagspanning (LV) DC-DC-convertor, die verantwoordelijk is voor het verlagen van de accuspanning (200 V in HEV's, meer dan 400 V in EV's) tot de 12 V/48 V DC-spanning die nodig is voor de voeding van de hulpsystemen. Met een typisch vermogen van minder dan 1 kW kan de LV-convertor hogere frequenties bereiken met behulp van GaN- en SiC-apparaten.

Tabel 2 geeft een overzicht van de wijze waarop Si, SiC en GaN voldoen aan de eisen van de eerder genoemde H/EV-toepassingen.

Tabel 2: Toepassingen van WBG in H/EV's en vergelijking van de prestaties met Si.

Vervoer per spoor

Elektrische treinen betrekken stroom van het net via een bovenleiding of een derde rail en zetten die om in een vorm die geschikt is voor de motors en de hulpsystemen. Als de trein op een wisselstroomlijn werkt, moeten een transformator en gelijkrichter de spanning terugbrengen en op gelijkstroom brengen. De gelijkspanning wordt dan gesplitst en via inverters geleverd aan de behoeften van de hulp- en tractiesystemen.

De tractie-inverter zet gelijkstroom om in wisselstroom voor de voeding van de motors en reconditioneert de elektriciteit die door regeneratief remmen wordt geproduceerd. Daarom is deze convertor ontworpen voor een bidirectionele energiestroom. In plaats daarvan levert de hulpinverter stroom voor koelsystemen, passagierscomfort en andere niet-bewegingsgebonden behoeften.

De omvang van de vermogenselektronica in de tractie-inverter is afhankelijk van de treinklasse:

• Transittreinen: 1,2 kV tot 2,5 kV
• Forensentreinen: 1,7 kV tot 3,3 kV
• Intercitytreinen: boven 3,3 kV

De meeste treinen gebruiken echter 3,3 kV of 1,7 kV.

Regeneratief remmen, waarbij een deel van de elektriciteit wordt teruggevoerd naar het lokale net, het stroomverdelingssysteem van het spoor of de energieopslag, maakt het systeem ingewikkelder dan bij de eerder genoemde toepassingen. Geregenereerde energie moet onmiddellijk worden opgeslagen of gebruikt, anders gaat zij verloren.

Bipolaire op SiC gebaseerde IGBT's en vrijloopdioden, die traditioneel worden gebruikt in vermogensmodules voor spoorwegtoepassingen, kunnen worden vervangen door unipolaire op SiC gebaseerde MOSFET's en dioden, waardoor de schakelfrequentie en de vermogensdichtheid toenemen.

De geleidings- en schakelverliezen moeten worden verminderd en de maximale verbindingstemperatuur moet worden verhoogd om het gewicht en het volume van de vermogenselektronische apparatuur voor tractietoepassingen te verminderen. Voor de veelgebruikte bipolaire silicium power devices hebben toenemende geleidingsverliezen en afnemende schakelverliezen het tegenovergestelde effect. Een unipolair apparaat ondervindt niet de wisselwerking tussen geleidings- en schakelverliezen zoals bipolaire apparaten. Daardoor konden de schakelverliezen worden verminderd en de geleidingsverliezen tot een minimum worden beperkt.

Vermogensverliezen in de elektrische rail kunnen drastisch worden verminderd met WBG vermogenselektronica. Daardoor zal minder energie aan het net worden onttrokken, en meer worden teruggegeven via regeneratief remmen. WBG-toestellen bieden ook bijkomende voordelen die het spoorvervoer naast de verhoging van de efficiëntie aanzienlijk helpen, zoals

• Minder gewicht heeft aanzienlijke gevolgen voor de efficiëntie
• Hogere bedrijfstemperatuur maakt een kleiner koelsysteem mogelijk
• Een hogere schakelfrequentie maakt kleinere passieve afmetingen mogelijk, waardoor het gewicht van de tractie- en hulpinverters wordt verlaagd. De inverter en de motor kunnen sneller reageren op schommelingen in de vraag dankzij de hogere schakelfrequentie, waardoor de efficiëntie toeneemt. Aangezien de hogere frequentie ten slotte minder hoorbaar is en de koelventilators kunnen worden uitgeschakeld, zouden spoorweghaltes minder lawaai maken wanneer er treinen aanwezig zijn.

Marine- en luchtvaarttoepassingen

Innovaties op het gebied van vermogenselektronica komen de maritieme sector al lang ten goede. Op het schip wordt elektriciteit van middenspanningsniveau AC geleverd door synchrone generators die door dieselmotoren worden aangedreven. Voorstuwingsaandrijvingen (een mengsel van AC-DC- en DC-AC-convertors) en andere belastingen behoren hiertoe.

Recente trends in de scheepvaartsector zijn erop gericht elektrische distributienetwerken op wisselstroom te vervangen door distributienetwerken op gelijkstroom. Deze oplossing maakt synchronisatie van de generators met de wisselstroomdistributie overbodig, mits zij met variabele snelheid kunnen werken, en levert brandstofbesparingen op. Anderzijds vereist het de invoering van gelijkrichtcircuits (AC-DC-convertors) tussen de wisselstroomgenerators en het gelijkstroomdistributienetwerk.

Frequentieregelaars voor scheepsaandrijving zijn cruciale scheepscomponenten die uiterst betrouwbaar moeten werken. Ze hebben vaak een vermogen van enkele watt tot enkele tientallen megawatts. Vaak zijn deze aandrijvingen de belangrijkste vermogensomzettingsblokken in een schip met wisselstroomdistributie. Daarom is hun grote efficiëntie van cruciaal belang.

Opnieuw worden conventionele, op silicium gebaseerde vermogenscomponenten vervangen door SiC- en GaN-componenten, die de efficiëntie verhogen en tegelijk de omvang en het gewicht verminderen. WBG-apparaten zullen binnenkort Si-gebaseerde apparaten inhalen als de marktleider, met geavanceerde vermogenselektronische systeemoplossingen die onmogelijk zijn met siliciumtechnologie.

Toekomstige door brandstofmotors aangedreven elektrische generatoren zullen de belangrijkste motor zijn voor hybride en volledig elektrische voortstuwingssystemen. Vervolgens wordt vermogenselektronica gebruikt om de generator en de motor met elkaar te verbinden. Bussen met zeer hoge gelijkspanning zijn nodig om ervoor te zorgen dat er voldoende vermogen beschikbaar is. Deze bussen kunnen in spanning variëren van enkele kV's voor lichte voertuigen tot MV's voor vliegtuigen. Bovendien maakt een hoge gelijkspanningsbus het mogelijk synchrone machines met permanente magneet te gebruiken als generatoren, waardoor het reactief vermogen en de vermogenselektronica worden verlaagd. De vermogensconvertors hebben apparatuur nodig die kan functioneren bij hoge schakelfrequenties als gevolg van de hoge rotatiesnelheid van de generator, hetgeen resulteert in kleinere en lichtere filterelementen.

Siliciumcarbide is de meest veelbelovende halfgeleider om aan alle eisen te voldoen en tegelijkertijd een hoog omzettingsrendement te garanderen. Voor vliegtuigen in het lagere vermogensbereik zijn nieuw ontwikkelde 3,3 kV en 6,5 kV SiC MOSFET-apparaten van groot belang. Zij kunnen ook worden gebruikt in modulaire topologieën van vermogensomzetters om te voldoen aan de hogere spannings- en vermogenseisen van grotere vliegtuigen.

Conclusie

Wide bandgap-halfgeleiders, zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), bieden verschillende voordelen ten opzichte van traditionele halfgeleiders omdat zij hoge spanningen en temperaturen aankunnen met minder vermogensverlies. Deze eigenschappen maken ze bijzonder geschikt voor vermogenselektronica in diverse toepassingen, waaronder vervoer.

WBG-halfgeleiders worden gebruikt in de transportsector om efficiëntere en betrouwbaardere elektrische en hybride voertuigen te ontwikkelen. Het lagere vermogensverlies van wide bandgap-halfgeleiders maakt hogere schakelfrequenties mogelijk, waardoor de vermogenselektronica kleiner en lichter wordt. Dit kan op zijn beurt leiden tot een groter bereik van het voertuig, snellere oplaadtijden en betere algemene prestaties.

Wide bandgap-halfgeleiders maken ook de ontwikkeling mogelijk van compactere en efficiëntere aandrijflijnen, waaronder motoraandrijvingen en inverters voor EV's en HEV's. Door de omvang en het gewicht van deze onderdelen te verminderen, kunnen voertuigontwerpers ruimte vrijmaken voor andere onderdelen of de algemene aerodynamica van het voertuig verbeteren.

Naast elektrische en hybride elektrische voertuigen worden wide bandgap-halfgeleiders ook gebruikt in andere vormen van vervoer, zoals vliegtuigen en treinen. In deze toepassingen kunnen de hoge temperatuur- en hoogspanningsmogelijkheden van wide bandgap-halfgeleiders de efficiëntie en betrouwbaarheid van vermogenselektronica verbeteren, wat leidt tot lagere bedrijfskosten en meer veiligheid.