SiC-модули «Мицубиси Электрик»:
новый уровень энергоэффективности электропоездов

В последнее время SiC-модули все чаще рассматриваются для использования в высокомощных применениях, где требуется высокая надежность, — таких как железнодорожные инверторы. Выдающиеся показатели производительности карбид-кремниевых модулей уже были показаны в нескольких примерах ж/д применений.

Так, еще в 2013 году «Мицубиси Электрик» вывела на рынок первый в мире преобразователь собственных нужд (ПСН), построенный на полных SiC-, или Full-SiC-модулях (транзисторы и диоды на основе карбида кремния) класса напряжения 1200 В [1]. Данные преобразователи используются в вагонах токийского метро в Японии. За счет применения карбида кремния потери электроэнергии в этих ПСН были снижены на 30%, а размеры и масса на 20 и 15% соответственно.

В 2014 году начались первые полевые испытания тягового инвертора, построенного на Full-SiC-модулях с номинальным током 1500 А [2]. Инвертор был спроектирован на напряжение контактной сети 1500 В, поэтому использовались модули классом напряжения 3300 В. Как показано на рис. 1, размеры и вес нового преобразователя сократились на 65% в сравнении с классическими тяговыми инверторами. При этом тяговая система в целом (включая инвертор и электродвигатели) продемонстрировала уменьшение потерь электроэнергии примерно на 40% относительно классических решений [3].

Рис. 1. Сравнение размеров классического IGBT-инвертора с Full-SiC-инвертором

Многие преобразователи на основе Full-SiC-модулей различных диапазонов мощности находятся в эксплуатации уже много лет, за это время карбид кремния отлично проявил себя не только с точки зрения увеличения КПД и снижения размеров, но и с точки зрения надежности.

Потенциал к большей энергоэффективности

Тяговое применение

При том же блокирующем напряжении SiC-чипы тоньше, а также имеют большую скорость переключения в сравнении с кремниевыми кристаллами. Это одна из причин, почему преобразователи на базе SiC-модулей обычно достигают существенно лучших показателей эффективности. Исследования, проведенные с использованием классического профиля нагрузки пассажирского электропоезда, показывают снижение потерь в Full-SiC-инверторе на 59% при сохранении прочих характеристик [4].

Рекуперация и торможение

Дополнительное увеличение КПД преобразователя может быть достигнуто благодаря повышению мощности рекуперативного торможения. При торможении поезда силовые модули, как правило, испытывают больший тепловой стресс, чем при разгоне. Это происходит потому, что площадь чипов обратных диодов внутри модулей, пропускающих ток при торможении, значительно меньше площади транзисторов, отвечающих за разгон. Таким образом, количество энергии, которая может быть рекуперирована обратно в сеть, лимитировано. Особенно это актуально при высоких скоростях поезда. В случае с карбид-кремниевыми модулями MOSFET SiC-чипы берут на себя часть обратного тока, за счет чего возрастает мощность рекуперативного торможения. Разница особенно заметна на высоких скоростях (рис. 2). Это также снижает нагрузку на систему механического торможения и уменьшает стоимость ее обслуживания.

Рис. 2. Full-SiC-модули позволяют увеличить мощность рекуперативного торможения

Системы обогрева, кондиционирования и вентиляции

Вторым по величине потребителем электро­энергии электропоезда является внутривагонное оборудование, обеспечивающее комфортные условия для пассажиров. Энергопотребление данных систем может достигать до 50% от общего потребления поезда [5]. В последние несколько лет в условиях пандемии COVID-19 стабильность работы подобных систем стала особенно важной. Например, чтобы минимизировать риск заражения пассажиров, системы вентиляции работают с повышенной нагрузкой, обеспечивая увеличенный приток свежего воздуха [6].

Снижение энергопотребления при использовании карбида кремния в таких применениях имеет тот же потенциал, что и в системах кондиционирования зданий на базе SiC, которые в настоящее время являются наиболее технологичными [7]. Кроме того, Full-SiC силовые ключи позволяют поднять частоту коммутации ШИМ до 16 кГц и более, что превышает порог слышимости человека. При данных частотах переключения, которые сравнительно высоки для классических кремниевых IGBT, суммарная мощность потерь в SiC MOSFET-модулях в корпусах DIPIPM составляет лишь 1/3 от потерь аналогичного Si-преобразователя, что приводит к снижению общего электропотребления [8].

В конечном итоге для многих прочих систем электропоезда применение SiC, за счет их высокой частоты коммутации, открывает совершенно новый подход к проектированию магнитных систем, поскольку размеры и вес магнитопроводов имеют обратно пропорциональную зависимость от частоты переменного тока. Также могут быть применены другие материалы или использован другой тип электродвигателя.

Надежность и номинальная мощность

При разговоре о надежности обычно рассматривается характеристика наработки на отказ, представляющая собой зависимость интенсивности отказов от времени эксплуатации устройства. Такая характеристика, как правило, имеет три явно выраженные области: ранние отказы, нормальная эксплуатация и износ. Наиболее критичными являются отказы, которые происходят в зоне нормальной эксплуатации модуля. Они не могут быть спрогнозированы и приводят к гораздо более высоким расходам на обслуживание и ремонт, чем расчетные. Самый непредсказуемый механизм выхода полупроводников из строя — пробой вследствие воздействия космических частиц высоких энергий. Характеристика, определяющая стойкость полупроводникового чипа к такому пробою, обозначается как LTDS (Long Term DC Stability — долгосрочная стабильность при постоянном DC-напряжении). Карбид кремния, имеющий более высокую ди­электрическую прочность, отличается и большей стойкостью к пробою такого рода, чем кремний. Разница особенно выражена у полупроводников высоких классов напряжения.

В начале эры полупроводниковых модулей на основе SiC номинальный ток модулей и, соответственно, выходная мощность преобразователей были малы, так как размеры первых карбид-кремниевых чипов не превышали нескольких квадратных миллиметров. Это делало невозможным использование нового п/п-материала в мощных применениях, в частности в тяговом. С новыми же современными Full-SiC-модулями выходная мощность преобразователя может достигать 1 МВт — без параллельного включения модулей. Наиболее мощный серийно выпускаемый Full-SiC-модуль с блокирующим напряжением 3300 В и номинальным током 750 А показан на рис. 3.

Рис. 3. Full-SiC-модуль на 3300 В, 750 А