碳化硅在軌道交通領(lǐng)域越來(lái)越”搶手“。2個(gè)月前，西安一SiC地鐵線路將開(kāi)展裝車和試驗(yàn)；近日，又有2列SiC列車分別實(shí)現(xiàn)載客運(yùn)營(yíng)、斬獲大訂單。

阿爾斯通：SiC列車實(shí)現(xiàn)載客運(yùn)營(yíng)

5月26日，阿爾斯通宣布，其在華合資企業(yè)——江蘇新譽(yù)阿爾斯通牽引系統(tǒng)有限公司（ANP）研發(fā)生產(chǎn)的新一代碳化硅永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)在一列成都7號(hào)線增購(gòu)列車上成功運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)載客運(yùn)營(yíng)。

據(jù)介紹，ANP的新一代碳化硅永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)采用了高頻、高結(jié)溫、低損耗的全碳化硅功率器件和高效率永磁同步電機(jī)創(chuàng)新技術(shù)，為列車牽引提供了30%的能源減耗。

阿爾斯通一直致力于交通領(lǐng)域的綠色化、可持續(xù)發(fā)展。此前，阿爾斯通已著手研發(fā)能全面采用碳化硅材料的Vasteras TC1500新?tīng)恳湥⒃谒沟赂鐮柲M(jìn)行了測(cè)試，為此次SiC成功“上車”提供了藍(lán)本。

日立、東芝：獲臺(tái)灣63億元SiC列車訂單

5月18日，據(jù)日媒報(bào)道，由日立、東芝、東芝基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)等組成的日立東芝至尊財(cái)團(tuán)（HTSC）宣布，他們獲得了來(lái)自臺(tái)灣高鐵運(yùn)營(yíng)商價(jià)值約為1240億日元（約63億人民幣）的12列（144節(jié)車廂）列車訂單。

據(jù)悉，HTSC計(jì)劃從 2026 年開(kāi)始，向臺(tái)灣高鐵運(yùn)營(yíng)交付日本中部鐵路公司最新SiC列車車型N700S。它搭載了由SiC器件與運(yùn)行風(fēng)冷系統(tǒng)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。SiC功率模塊由東芝、日立、富士電機(jī)和三菱電機(jī)負(fù)責(zé)，其中東芝、日立和富士電提供配備SiC二極管的混合型模塊，而三菱電機(jī)提供全碳化硅模塊。

2020年7月，N700S正式在日本東海道新干線載客運(yùn)營(yíng)。因采用了碳化硅技術(shù)，列車牽引逆變器尺寸和重量減少了40%，逆變器損耗降低了35%。

此外，該列車還配備了鋰離子電池（SCiBTM），即使在停電的情況下也能自行低速運(yùn)行。


碳化硅改變軌道交通牽引系統(tǒng)變革

隨著軌道交通的高速發(fā)展，電能消耗日益成為軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)的關(guān)注重點(diǎn)，為此，軌道交通牽引變流系統(tǒng)對(duì)功率半導(dǎo)體器件的性能、效率、損耗、體積、壽命和成本等方面提出了更高要求。碳化硅（SiC）寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高臨界場(chǎng)強(qiáng)、高載流子飽和速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)，使得SiC金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管等功率半導(dǎo)體器件具備更大電流密度、更快開(kāi)關(guān)速度、更低開(kāi)關(guān)損耗和更高工作溫度等優(yōu)點(diǎn)，有助于軌道交通牽引變流系統(tǒng)小型化、輕量化發(fā)展，在軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)的綠色節(jié)能要求下具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

碳化硅功率器件是軌道交通領(lǐng)域的關(guān)鍵器件。SiC器件在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要有兩種技術(shù)方案：混合SiC模塊和全SiC模塊。以SiC肖特基勢(shì)壘二極管和Si絕緣柵雙極型晶體管組成的混合SiC器件性能和可靠性在軌道交通牽引變流系統(tǒng)和輔助變流系統(tǒng)中被大量驗(yàn)證和應(yīng)用，以三菱和中國(guó)中車為代表的主要SiC功率器件廠商正在推進(jìn)具有更優(yōu)性能的全SiC模塊的研發(fā)、驗(yàn)證和推廣。

利用SiC高擊穿電場(chǎng)的材料優(yōu)勢(shì)，在相同耐壓性能前提下，SiC單極器件可以帶來(lái)更低的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，以及更高工作溫度等性能提升。在不久的未來(lái)，隨著SiC晶圓材料成本的降低、SiC芯片量產(chǎn)和封裝技術(shù)能力的提升，SiC芯片和模塊必將成為軌道交通應(yīng)用的主流，這一趨勢(shì)也進(jìn)一步助推軌道交通牽引變流系統(tǒng)向著高頻化、小型化、輕量化的方向發(fā)展。

碳化硅成燃料電池系統(tǒng)標(biāo)配？

中車、致瞻等企業(yè)已入局

行業(yè)專家表示，在燃料電池系統(tǒng)中，空壓機(jī)、高壓大功率DC/DC是核心部件，這兩個(gè)部分都離不開(kāi)碳化硅技術(shù)，碳化硅甚至對(duì)燃料電池汽車的效率、緊湊性等都有著重要影響。

簡(jiǎn)單來(lái)講，燃料電池列車的原理是將氫氣和氧氣通過(guò)化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，從而產(chǎn)生電能，為列車提供動(dòng)力。在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中，空氣被壓縮機(jī)吸入并壓縮，進(jìn)入燃料電池，其性能好壞直接影響燃料電池系統(tǒng)的性能。空氣系統(tǒng)占BOP總成本的40%，其功耗約占BOP總功耗的80%，因此空壓機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高效率，降低成本。

離心式空壓機(jī)是燃料電池的主流空壓機(jī)，為了讓空壓機(jī)獲得高壓比和高功率密度，需要通過(guò)電力電子驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，以推動(dòng)同軸葉輪，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速通常在每分鐘9-12萬(wàn)轉(zhuǎn)，這對(duì)電力電子驅(qū)動(dòng)器的控制性能及穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn),而碳化硅技術(shù)可以很好地滿足其高速和高效率等需求。

在空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)器方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)致瞻科技于2020年推出SiCTeXTM全碳化硅電驅(qū)系統(tǒng)，最高可實(shí)現(xiàn)4000Hz高頻率輸出，能驅(qū)動(dòng)一對(duì)極電機(jī)達(dá)到240000rpm超高轉(zhuǎn)速。

據(jù)致瞻官網(wǎng)介紹，他們的碳化硅先進(jìn)電驅(qū)系統(tǒng)和Z碳化硅功率模塊，已經(jīng)成功應(yīng)用于燃料電池汽車等領(lǐng)域，已獲得上汽捷氫、中國(guó)中車、長(zhǎng)城汽車等企業(yè)的批量訂單，在氫能源汽車空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域占據(jù)60%以上的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額。

DC-DC方面，2020年8月，中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司宣布成功研制出碳化硅大功率燃料電池DC/DC變換器，而且獲得某大型車企400套氫燃料電池系統(tǒng)核心部件訂單，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)化應(yīng)用的SiC大功率燃料電池DC/DC變換器。

據(jù)介紹，相比傳統(tǒng)基于IGBT模塊變換器產(chǎn)品，中車的變換器開(kāi)關(guān)頻率提升4倍以上、功率密度提升3倍以上，系統(tǒng)平均效率大于97%，最高效率可達(dá)99%。

說(shuō)起碳化硅功率器件，我們第一想到的就是新能源汽車高壓快充系統(tǒng)，但碳化硅優(yōu)勢(shì)這么多，除了汽車和上述提到的軌道交通列車以外，還會(huì)在領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱呢？


碳化硅的其他應(yīng)用領(lǐng)域

光伏發(fā)電領(lǐng)域

在光伏發(fā)電的應(yīng)用中，以硅基器件為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)逆變器造價(jià)基本大約在系統(tǒng)造價(jià)的10%以上，但它是系統(tǒng)能量損耗最重要的來(lái)源之一。

采用碳化硅MOSFET或者碳化硅MOSFET+碳化硅SBD組合功率模塊的光伏逆變器轉(zhuǎn)換，效率可以由96%提高到99%以上，能量損耗減少50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提高50倍，因此可以減小系統(tǒng)體積，提高功率密度，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

高效，高功率密度，高可靠，低成本等特點(diǎn)是光伏逆變器未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

在組串式與集中式光伏逆變器領(lǐng)域，碳化硅產(chǎn)品有望逐步取代硅基器件。


智能電網(wǎng)領(lǐng)域

與其他電力電子器件相比，電力系統(tǒng)需要更高的電壓、更大的功率容量以及更高的可靠性。

碳化硅器件突破了硅基功率半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率與高溫度上的局限性，并帶來(lái)高頻率、高可靠性、高效率、低損耗的特殊優(yōu)點(diǎn)。

在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電以及配電系統(tǒng)在應(yīng)用中促進(jìn)了智能電網(wǎng)發(fā)展與轉(zhuǎn)型。

除此之外，碳化硅功率器件還已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)電源以及航空航天等行業(yè)取得了成熟的應(yīng)用。