碳化硅在軌道交通領域越來越”搶手“。2個月前，西安一SiC地鐵線路將開展裝車和試驗；近日，又有2列SiC列車分別實現(xiàn)載客運營、斬獲大訂單。

阿爾斯通：SiC列車實現(xiàn)載客運營

5月26日，阿爾斯通宣布，其在華合資企業(yè)——江蘇新譽阿爾斯通牽引系統(tǒng)有限公司（ANP）研發(fā)生產(chǎn)的新一代碳化硅永磁電機牽引系統(tǒng)在一列成都7號線增購列車上成功運用，實現(xiàn)載客運營。

據(jù)介紹，ANP的新一代碳化硅永磁電機牽引系統(tǒng)采用了高頻、高結溫、低損耗的全碳化硅功率器件和高效率永磁同步電機創(chuàng)新技術，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新牽引鏈，并在斯德哥爾摩進行了測試，為此次SiC成功“上車”提供了藍本。

日立、東芝：獲臺灣63億元SiC列車訂單

5月18日，據(jù)日媒報道，由日立、東芝、東芝基礎設施系統(tǒng)等組成的日立東芝至尊財團（HTSC）宣布，他們獲得了來自臺灣高鐵運營商價值約為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計劃從 2026 年開始，向臺灣高鐵運營交付日本中部鐵路公司最新SiC列車車型N700S。它搭載了由SiC器件與運行風冷系統(tǒng)相結合的驅動系統(tǒng)。SiC功率模塊由東芝、日立、富士電機和三菱電機負責，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營。因采用了碳化硅技術，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營的關注重點，為此，軌道交通牽引變流系統(tǒng)對功率半導體器件的性能、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）寬禁帶半導體材料具有高臨界場強、高載流子飽和速度和高熱導率等優(yōu)勢，使得SiC金屬-氧化物半導體場效應晶體管等功率半導體器件具備更大電流密度、更快開關速度、更低開關損耗和更高工作溫度等優(yōu)點，有助于軌道交通牽引變流系統(tǒng)小型化、輕量化發(fā)展，在軌道交通車輛運營的綠色節(jié)能要求下具有顯著應用優(yōu)勢。

碳化硅功率器件是軌道交通領域的關鍵器件。SiC器件在軌道交通領域的應用主要有兩種技術方案：混合SiC模塊和全SiC模塊。以SiC肖特基勢壘二極管和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)中被大量驗證和應用，以三菱和中國中車為代表的主要SiC功率器件廠商正在推進具有更優(yōu)性能的全SiC模塊的研發(fā)、驗證和推廣。

利用SiC高擊穿電場的材料優(yōu)勢，在相同耐壓性能前提下，SiC單極器件可以帶來更低的導通損耗和開關損耗，以及更高工作溫度等性能提升。在不久的未來，隨著SiC晶圓材料成本的降低、SiC芯片量產(chǎn)和封裝技術能力的提升，SiC芯片和模塊必將成為軌道交通應用的主流，這一趨勢也進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、高壓大功率DC/DC是核心部件，這兩個部分都離不開碳化硅技術，碳化硅甚至對燃料電池汽車的效率、緊湊性等都有著重要影響。

簡單來講，燃料電池列車的原理是將氫氣和氧氣通過化學反應結合，從而產(chǎn)生電能，為列車提供動力。在空氣供應系統(tǒng)中，空氣被壓縮機吸入并壓縮，進入燃料電池，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%，因此空壓機的設計目標是提高效率，降低成本。

離心式空壓機是燃料電池的主流空壓機，為了讓空壓機獲得高壓比和高功率密度，需要通過電力電子驅動器帶動電機高速旋轉，以推動同軸葉輪，電機的額定轉速通常在每分鐘9-12萬轉，這對電力電子驅動器的控制性能及穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn),而碳化硅技術可以很好地滿足其高速和高效率等需求。

在空壓機驅動器方面，國內企業(yè)致瞻科技于2020年推出SiCTeXTM全碳化硅電驅系統(tǒng)，最高可實現(xiàn)4000Hz高頻率輸出，能驅動一對極電機達到240000rpm超高轉速。

據(jù)致瞻官網(wǎng)介紹，他們的碳化硅先進電驅系統(tǒng)和Z碳化硅功率模塊，已經(jīng)成功應用于燃料電池汽車等領域，已獲得上汽捷氫、中國中車、長城汽車等企業(yè)的批量訂單，在氫能源汽車空壓機驅動領域占據(jù)60%以上的國內市場份額。

DC-DC方面，2020年8月，中車時代電動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，成為國內首個商業(yè)化應用的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，中車的變換器開關頻率提升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99%。

說起碳化硅功率器件，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)勢這么多，除了汽車和上述提到的軌道交通列車以外，還會在領域發(fā)光發(fā)熱呢？


碳化硅的其他應用領域

光伏發(fā)電領域

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

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換，效率可以由96%提高到99%以上，能量損耗減少50%以上，設備循環(huán)壽命提高50倍，因此可以減小系統(tǒng)體積，提高功率密度，延長設備使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

高效，高功率密度，高可靠，低成本等特點是光伏逆變器未來發(fā)展的趨勢。

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


智能電網(wǎng)領域

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體器件在大電壓、高功率與高溫度上的局限性，并帶來高頻率、高可靠性、高效率、低損耗的特殊優(yōu)點。

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)在應用中促進了智能電網(wǎng)發(fā)展與轉型。

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